Компоновка топливного элемента, производимого в промышленном маштабе, и способ его изготовления



Компоновка топливного элемента, производимого в промышленном маштабе, и способ его изготовления
Компоновка топливного элемента, производимого в промышленном маштабе, и способ его изготовления
Компоновка топливного элемента, производимого в промышленном маштабе, и способ его изготовления
Компоновка топливного элемента, производимого в промышленном маштабе, и способ его изготовления
Компоновка топливного элемента, производимого в промышленном маштабе, и способ его изготовления
Компоновка топливного элемента, производимого в промышленном маштабе, и способ его изготовления
Компоновка топливного элемента, производимого в промышленном маштабе, и способ его изготовления
Компоновка топливного элемента, производимого в промышленном маштабе, и способ его изготовления
Компоновка топливного элемента, производимого в промышленном маштабе, и способ его изготовления
Компоновка топливного элемента, производимого в промышленном маштабе, и способ его изготовления
Компоновка топливного элемента, производимого в промышленном маштабе, и способ его изготовления
Компоновка топливного элемента, производимого в промышленном маштабе, и способ его изготовления
Компоновка топливного элемента, производимого в промышленном маштабе, и способ его изготовления
Компоновка топливного элемента, производимого в промышленном маштабе, и способ его изготовления
Компоновка топливного элемента, производимого в промышленном маштабе, и способ его изготовления
Компоновка топливного элемента, производимого в промышленном маштабе, и способ его изготовления
Компоновка топливного элемента, производимого в промышленном маштабе, и способ его изготовления
Компоновка топливного элемента, производимого в промышленном маштабе, и способ его изготовления
Компоновка топливного элемента, производимого в промышленном маштабе, и способ его изготовления
Компоновка топливного элемента, производимого в промышленном маштабе, и способ его изготовления
Компоновка топливного элемента, производимого в промышленном маштабе, и способ его изготовления
Компоновка топливного элемента, производимого в промышленном маштабе, и способ его изготовления
Компоновка топливного элемента, производимого в промышленном маштабе, и способ его изготовления

 


Владельцы патента RU 2516009:

ФДИ ЭНЕРДЖИ, ИНК. (US)

Топливный элемент, производимый в промышленном масштабе, содержащий электролит, положительные электроды и отрицательные электроды, собранные в определенную структуру, внешние электрические соединения, внутренние каналы для подачи топлива, каналы для распределения топлива, каналы для подачи окислителя, каналы для распределения окислителя, возвратные каналы и проходы для отработанных продуктов, что позволяет сформировать простую модульную сборку, из которых можно собрать пакет. В топливном элементе могут быть использованы как твердый, так и гибкий электролит. Расположение рамы с каналами для топлива в ее центральной части обеспечивает повышение надежности электрических соединений и уплотнений для текучих сред, при этом электролит в указанном топливном элементе может быть расположен с любой стороны электрода, а электрические соединения позволяют обеспечить подключение к ним извне для обеспечения желаемой электрической мощности. 21 з.п. ф-лы, 22 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к топливным элементам и способам их изготовления. В частности, настоящее изобретение относится к компоновке топливных элементов, которые впервые в практике могут изготавливаться в больших объемах при относительно низкой себестоимости, и к устойчивому и надежному процессу массового производства топливных элементов.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Экспериментальные топливные элементы были впервые произведены в середине 1800-х годов в рамках исследований по созданию химических источников тока. В этих ранних разработках берут свое начало современные гальванические элементы, которые, как следует признать, претерпели относительно незначительное развитие в течение последних ста лет. Когда в 1960-е годы в НАСА для программы космических исследований США потребовалась компактная и эффективная система, вырабатывающая электроэнергию, в качестве источника энергии был выбран топливный элемент, поскольку стоимость не играла решающей роли.

В самом общем смысле топливные элементы и гальванические элементы производят электричество по существу одинаковым образом. В них окисляемое вещество (топливо) на электроде истока (катоде) выделяет положительные ионы, и восстанавливаемое вещество (окислитель) на электроде стока (аноде) выделяет отрицательные ионы. Эти положительные и отрицательные ионы соединяются в электролите, образуя новые устойчивые вещества и замыкая электрический контур.

В гальваническом элементе источниками топлива и окислителя служат материалы электродов, и, когда они израсходованы, элемент перестает функционировать. В топливном элементе электроды представляют собой устойчивые структуры, поддерживающие электрический контур и не участвующие в химических процессах. Процесс окисления инициируют с помощью катализаторов и поддерживают его, пополняя топливо и окислитель из внешних источников. Большинство современных топливных элементов используют в качестве топлива водород и в качестве окислителя воздух.

Фильтры, пропускающие водород на уровне атомов ПОМ (протонообменные мембраны), значительно упрощают конструкцию топливного элемента. В топливном элементе с ПОМ, текучую среду с высоким содержанием водорода подают на ПОМ со стороны отрицательного электрода (катода), где под действием катализатора из нее выделяются атомы водорода, в то время как электроны от этих атомов водорода не проходят через ПОМ, а поступают в отрицательный электрод. Благодаря действию катализатора, со стороны положительного электрода (анода) кислород воздуха на ПОМ захватывает электроны. Атомы водорода и кислорода (ионы) соединяются, завершая цикл, и продукты этой реакции отводятся.

В качестве ПОМ в топливных элементах зачастую используется имеющаяся в продаже тонкая пластиковая пленка, например, производства DuPont и Gore Industries, по своим механическим характеристикам аналогичная пластиковой пищевой пленке. С этим обстоятельством у ПОМ типа «пластиковой пленки» связано много проблем. Для нее требуется сложная, дорогостоящая, объемная опорная конструкция, в которую будут включены магистрали как для топлива, так и для охлаждающей жидкости.

Обращение с электролитом, ПОМ и сепаратором требует высокой точности, что приводит к значительному усложнению операций окончательной сборки. Наиболее ответственным является процесс соединения элементов в пакет и его герметизация, поскольку ПОМ и сепаратор чувствительны как к смачиванию жидкостью, так и к нагреву. К значительному удорожанию ведет также использование катализаторов из благородных металлов и легко повреждаемых электродов из соединений углерода, что связано с высокой стоимостью самого материала и с потерями в выходе годного. Еще одной проблемой является сборка и герметизация элементов, поскольку во избежание повреждения компонентов температуры и давления, воздействующие на них при их скреплении, должны быть чрезвычайно низкими.

Использование топливных элементов для автомобилей несет в себе другую огромную проблему. Так, прогнозируемый эксплуатационный ресурс семейного автомобиля, проходящего только текущее техническое обслуживание, составляет 100000 миль за 5 лет. Автомобиль заводят и эксплуатируют в самых разнообразных неблагоприятных условиях, и блок двигателя должен быть достаточно компактным для того, чтобы его можно было расположить на удалении от салона, но при этом в месте, удобном для обслуживания. Блок двигателя должен надежно работать и быстро запускаться даже при ненормальной эксплуатации и с небольшими повреждениями. Кроме того, он должен отвечать самым строгим нормам выбросов. С экономической точки зрения топливные элементы должны конкурировать с современными типами движущих механизмов, и подлежать ремонту путем замены отдельных компонентов, а не целых блоков.

Топливным элементам для автомобилей было посвящено огромное количество исследовательских и конструкторских работ. Тем не менее до настоящего времени в этих работах не удалось предложить экономически рентабельные топливные элементы: исследования были в значительной степени сконцентрированы на фундаментальных научных принципах и базовых разработках, например, связанных с ПОМ на основе перфторсульфоновой кислоты. С одной стороны, измерения в ходе экспериментов показывают значения плотности тока для элементов с ПОМ в диапазоне от 25 мА/см2 до 4000 мА/см2. С другой стороны, достижение такой плотности тока в общем случае требует использования графита в качестве материала проводящего электрода.

Однако из-за свойственных углероду естественного комкования и зернистой структуры топливо и окислитель протекают через обширную пористую поверхность, и, если после формования электрода из угольного материала подвергать эту поверхность воздействию катализатора, будет затрачиваться большое количество благородного металла. Если смешивать углерод с катализатором и вяжущими веществами перед формованием электрода или присоединением в качестве электрода, возрастает электрическое сопротивление. При том, что углерод и так уже обладает высоким внутренним сопротивлением, любое увеличение внешнего сопротивления в переходной зоне существенно повышает потери энергии с теплотой.

Кроме того, сборка электролита в виде ПОМ и элементов с углеродными электродами в пригодные к применению пакеты оказывается сложной операцией в плане реализации электрических соединений, уплотнений для текучих сред и элементов, фиксирующих всю конструкцию. К тому же мембраны ПОМ быстро разрушаются при приближении температуры к 90°С. Применение отдельных охлаждающих приспособлений и сложных гидратационных систем, допустимое в лабораторных условиях, совсем не так приемлемо для коммерческих применений. Разработки керамических электролитов были свернуты, когда стали очевидными их высокая стоимость и сложности в изготовлении.

Таким образом, мы определили, что основным требованием к топливным элементам, в частности применимым для автомобилей, где важнейшим фактором является стоимость, будет возможность их массового производства, но при этом с устойчиво высоким качеством, что было до сих пор недостижимо для обычных топливных элементов.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В настоящем изобретении описывается изготовление топливного элемента и связанные с этим способы обработки и сборки, имеющие целью эффективное исключение большого количества компонентов и большинства дорогостоящих операций, свойственных обычному процессу изготовления топливного элемента, что существенно уменьшает расходы и расширяет возможности производства без ущерба для преимуществ, имеющихся у используемых в настоящее время топливных элементов.

Еще одна цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить топливный элемент, в котором механическая конструкция, рама и средства замыкания составляют единое целое из компонентов, включающих, в частности, электроды, используемые с гибкими электролитами.

Еще одна цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить топливный элемент, в который будут встроены межэлементные и наружные соединительные проходы для подвода и отвода текучих сред.

Еще одна цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить топливный элемент, в котором электролит может помещаться с любой стороны электрода, что делает возможным сборку электродов с их чередующимся расположением между электролитами, например отрицательный электрод, электролит, положительный электрод, электролит, отрицательный электрод и т.д., что сокращает количество электродов, необходимых для пакетов топливных элементов или тандемных топливных элементов, приблизительно в два раза плюс один электрод.

Еще одна цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить топливный элемент, в котором количество пластин-сепараторов при использовании гибких или иных сложных в обслуживании электролитов сокращено, или вообще не требуется при использовании твердых электролитов.

Еще одна цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить топливный элемент, в котором средства уплотнения (замыкания) для проходов, камер, отверстий-перемычек и периферийных полос могут быть выполнены для них всех одновременно любым из известных способов, в том числе нанесением формованного сжимаемого материала, вяжущих средств, присоединением с образованием химических связей, пайкой эвтектическим припоем, приклеиванием металлических частей и т.д.

Еще одна цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить топливный элемент, в котором каталитический материал может наноситься непосредственно на электролит или электроды с помощью самых недорогих и надежных из известных способов, в том числе напылением, избирательным электролитическим осаждением, химическим осаждением из паров, печатью и т.д.

Еще одна цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить топливный элемент, в котором электрические соединения электрода могут быть выбраны и подключены извне, позволяя получить из соединенных топливных элементов желаемую электрическую мощность.

Еще одна цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить топливный элемент, в котором выравнивание компонентов успешно обеспечивается за счет механической компоновки.

Еще одна цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить топливный элемент, в котором электроды могут быть сформированы в равной степени любым из таких нескольких известных способов, как штамповка, спекание, прессование в пресс-форме, литье, а также многослойное ламинирование и травление, сходные с процессами изготовления печатных плат.

Еще одна цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить топливный элемент, в котором ионизация топлива и окислителя происходит либо на поверхности электролита, что упрощает конструкцию элемента, либо на некотором удалении, что позволяет активизировать химические процессы и отвести отработанную реакционную смесь.

Указанные цели, касающиеся массового производства компонентов топливного элемента, которые включают основную конструкцию, внешние электрические соединения, внутренние проходы и распределительные каналы для топлива и окислителя, проходы и выпускные отверстия для отработанных продуктов и легко выравниваются при сборке в пакеты, достигнуты в одной из реализации изобретения в виде трех соединяемых в единое целое отдельных компонентов топливного элемента, а именно электролита, положительного электрода и отрицательного электрода, которые на выходе с линии их изготовления несложным технологическим процессом представляют собой готовые составляющие, которые могут быть уложены друг на друга, герметизированы и скреплены. Каждый из компонентов может использоваться во всех известных электрохимических и электролитических процессах. Эти компоненты могут многократно укладываться друг на друга, образуя готовый легко выравниваемый модуль топливного элемента, который может быть использован в пакете с другими такими модулями и имеет внутренние проходы и распределительные каналы для окислителя и топлива, внутренние проходы для отработанных продуктов и внешние электрические соединения.

Еще одна цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы преодолеть имеющиеся проблемы с созданием электрических соединений, структурной целостностью, распределением топлива и окислителя, обслуживанием и заменой, обеспечивая в то же время массовое производство такими скоростными технологическими операциями, как штамповка для металлов и соответствующих типов пластмасс и ротационное формование для частично отвержденной керамики и термореактивных полимеров.

В одной из реализации настоящего изобретения электролит изготавливают из цельной заготовки из инертного структурного материала, подвергнутого обработке, благодаря которой электролит пропускает только мигрирующие ионы, причем на обе стороны электролита наложены проводящий материал и соответствующие катализаторы, что создает единый блок электролита с положительным и отрицательным электродами. После добавления к нему непроводящих распределительных пластин для топлива и окислителя образуется топливный элемент.

Компоновка электролита такова, что его основным структурным элементом является периферийная полоса рабочей области, которая является непроницаемой, включает отводы для внешних электрических соединений и обеспечивает соединение с другими элементами, а также герметизацию (замыкание). Области герметизации имеются также на ключевых внутренних участках, обеспечивающих пропускание текучих сред между отдельными элементами. Обширная рабочая область электролита подвергнута обработке, благодаря которой она пропускает электроны и образует поверхность для присоединения материалов проводящего электрода и катализатора.

В еще одной реализации электрод изготавливают из цельной заготовки из токопроводящего материала, и его основным структурным элементом является периферийная полоса рабочей области, которая является непроницаемой, включает отводы для внешних электрических соединений и обеспечивает соединение с другими элементами, а также герметизацию. Области герметизации имеются также на ключевых внутренних участках, обеспечивающих пропускание текучих сред между отдельными элементами. Обширная рабочая область электрода является проницаемой или каким-либо иным образом допускает движение по ней текучей среды в любых направлениях- поперечном, радиальном и боковом- и образует поверхность для присоединения каталитического материала.

Различия между положительным и отрицательным электродами сводятся к местоположению и/или форме внешних электрических соединителей и, если они применяются, специальных катализаторов. Хотя нет обязательной необходимости закреплять катализаторы на электродах, такое закрепление позволяет использовать электролиты меньшей механической жесткости, к которым было бы невозможно прикреплять катализаторы. Конструкция электродов позволяет помещать электролиты с любой из их сторон и уменьшает общий объем, повышая при этом коэффициент полезного действия топливного элемента.

В еще одной реализации электрод изготавливают из трех частей, которые формируются отдельно, а затем скрепляются, образуя единый блок. Две активных части являются идентичными, взаимозаменяемыми и обратимыми и формируются и компонуются одинаковыми процессами. Каждую из активных частей изготавливают из одного токопроводящего материала, и ее основным структурным элементом является периферийная полоса рабочей области, которая является непроницаемой, включает отводы для внешних электрических соединений и обеспечивает соединение с другими элементами, а также герметизацию (замыкание). Области герметизации (замыкания) имеются также на ключевых внутренних участках, обеспечивающих пропускание текучих сред между отдельными элементами.

Третья часть представляет собой распределительную пластину, изготавливаемую либо из одного токопроводящего материала, который соединяет активные части, образуя тем самым единый электрод, либо из одного непроводящего материала, который разделяет две активных части, образуя два электрически раздельных электрода. Основным структурным элементом распределительной пластины является периферийная полоса рабочей области, которая является непроницаемой, может включать отводы для внешних электрических соединений и обеспечивает соединение с другими элементами, а также герметизацию (замыкание) Области герметизации (замыкания) имеются также на ключевых внутренних участках, обеспечивающих пропускание текучих сред между отдельными элементами.

В еще одной реализации электролит изготавливают из цельной заготовки из инертного неструктурного материала, подвергнутого обработке, благодаря которой он пропускает мигрирующие ионы на определенных участках. Электролит прикрепляют непосредственно к одному или к обоим электродам, как описано при обсуждении второй и третьей реализации в настоящем документе. В одном варианте присоединяемые катализаторы прикладывают непосредственно к каждому электроду, а неструктурный электролит- к одному из них, при этом между соединенными электролитом и электродом, с одной стороны, и другим электродом, с другой стороны, помещают альтернативный или необязательной вариант непроводящего уплотнения, образуя в результате топливный элемент в сборе.

В первой модификации рассматриваемой реализации непроводящее уплотнение прикрепляют к неструктурному электролиту. Соединенные между собой электролит и уплотнение помещают между соответствующими электродами, образуя в результате топливный элемент в сборе. Во второй модификации катализаторы вместе с проводящим материалом накладывают непосредственно на обе стороны неструктурного электролита. Электроды изготавливают с замкнутым периферийным гребнем, к которому прикладывается проводящий материал, совместимый с материалами электролита. Этот гребень выполняет функцию электрического интерфейса с проводящими катализаторами, прикладываемыми к электролиту. Электролит может быть прикреплен к одному из электродов так, что гребень электрода будет соприкасаться с присоединяемым проводящим катализатором. Между предварительно соединенными электролитом с электродом и другим электродом может помещаться непроводящее уплотнение, и другой гребень электрода будет соприкасаться с проводящим катализатором со свободной стороны электролита, образуя топливный элемент в сборе.

Еще один вариант предполагает присоединение непроводящего уплотнения к неструктурному электролиту, включающему неструктурный твердый электролит с соответствующим катализатором. Соединенные между собой электролит и уплотнительную пластину помещают между соответствующими электродами, при этом гребни электрода соприкасаются с проводящими катализаторами электролита, образуя топливный элемент в сборе.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Эти и другие цели, признаки и преимущества настоящего изобретения станут более очевидны при ознакомлении с последующим подробным описанием, рассматриваемым с обращением к сопровождающим чертежам.

На Фиг.1 в изометрии и с частичным разрезом представлен общий вид первой реализации топливного элемента с твердым электролитом согласно настоящему изобретению с отрицательным и положительным электродами и катализаторами, присоединенными с обеих сторон структурного твердого электролита, который включает внешние электрические соединения, проходы для топлива и окислителя, возвратные каналы и проходы для отработанных продуктов, причем проходы для топлива и окислителя и распределительные пластины являются самостоятельными структурными элементами, геометрия которых совпадает с геометрией электролита, что позволяет выполнить сборку топливного элемента.

На Фиг.2 представлено покомпонентное изображение в изометрии топливного элемента с гибким электролитом, представляющего собой другую реализацию настоящего изобретения, где показаны контактные пластины, образующие структуру электродов, которые прикреплены непосредственно к гибкому электролиту и имеют положительные и отрицательные проводящие катализаторы, приложенные, соответственно, к верхней и нижней поверхностям, положительно заряженная распределительная пластина для окислителя, расположенная на стороне, смежной с контактной пластиной положительного электрода, и распределительная пластина для топлива, расположенная на стороне, смежной с контактной пластиной отрицательного электрода, как показано на Фиг.19, которые образуют готовый, легко выравниваемый и многократно укладываемый модуль топливного элемента с внутренними проходами и распределительными каналами для окислителя и топлива, внутренними проходами для отработанных продуктов и внешними электрическими соединениями, причем распределительные пластины либо постоянно соединены со сборкой электродов и гибкой мембраны, либо остаются отделенными от него для облегчения разборки и обслуживания топливного элемента.

На Фиг.3 в изометрии и с частичным разрезом представлена сборка положительного электрода согласно настоящему изобретению, в котором собранный многокомпонентный или ламинированный положительный электрод получен вкладыванием распределительной пластины для окислителя между пластинами катализаторов окислителя, которые представляют собой панели, полученные микроштамповкой и изготовленные из проводящего материала или покрытые проводящим материалом, на которые нанесен катализатор и которые имеют ту же геометрию, что и каждый из компонентов электрода.

На Фиг.4 в изометрии показаны направления потоков топлива в топливном элементе, чтобы показать внутреннюю подачу топлива из центра, являющуюся отличительным признаком настоящего изобретения.

На Фиг.5 в изометрии представлена одна из реализации положительного электрода, который может использоваться в компоновке топливного элемента согласно настоящему изобретению.

На Фиг.6А в изометрии представлена одна из реализации отрицательного электрода без возвратных каналов для топлива, который может использоваться в компоновке топливного элемента согласно настоящему изобретению.

На Фиг.6В в изометрии представлена другая реализация отрицательного электрода, где имеются возвратные каналы для топлива.

На Фиг.7 в изометрии представлена одна из реализации катализатора и пластины пропускания окислителя для собранного многокомпонентного или ламинированного положительного электрода в топливном элементе согласно настоящему изобретению.

На Фиг.8 отдельно изображена в изометрии распределительная пластина для окислителя для положительного электрода, показанная также на Фиг.1, 2, 3 и 18.

На Фиг.9 в изометрии изображен катализатор и пластина прохождения топлива для собранного многокомпонентного или ламинированного отрицательного электрода в топливном элементе согласно настоящему изобретению.

На Фиг.10 в изометрии изображена распределительная пластина для топлива, показанная также на Фиг.1 и 18.

На Фиг.11 в изометрии изображен гибкий электролит, используемый в топливных элементах, пример которых показан на Фиг.2 и 19.

На Фиг.12 в изометрии изображено вырезанное или сформированное уплотнение положительного электрода, используемое согласно настоящему изобретению между компонентами топливного элемента вместо их фиксированного скрепления.

На Фиг.13 в изометрии изображено вырезанное или сформированное уплотнение отрицательного электрода, используемое между компонентами топливного элемента вместо их фиксированного скрепления.

На Фиг.14 в изометрии изображен один из положительных (или отрицательных) электродов топливного элемента, который включает средства распределения окислителя и сформированные сверху и снизу контактные гребни для использования в топливном элементе согласно настоящему изобретению.

На Фиг.15 отдельно изображен в изометрии твердый электролит, используемый в топливном элементе Фиг.1.

На Фиг.16 в изометрии изображена сформированная контактная пластина электрода, не являющаяся структурной и изготовленная из непроводящего материала для использования в топливных элементах, пример которых показан на Фиг.2, где на электрод нанесен проводящий материал в тех местах, которые обеспечивают внешние соединения и которые соприкасаются с электролитом, на обе стороны которого был предварительно нанесен проводящий катализатор.

На Фиг.17 в изометрии изображена сформированная контактная пластина электрода, не являющаяся структурной и изготовленная из непроводящего материала, где на электрод наносится проводящий материал в тех местах, которые обеспечивают внешние соединения и которые соприкасаются с электролитом, на обе стороны которого был предварительно нанесен проводящий катализатор; такая контактная пластина может использоваться в топливных элементах, пример которых показан на Фиг.2.

На Фиг.18 в вертикальном разрезе изображен пакет топливных элементов, использующих твердый электролит, согласно настоящему изобретению, известный также как пакет твердооксидных топливных элементов с твердым электролитом.

Фиг.19 аналогичен Фиг.18, но показывает пакет топливных элементов, использующих гибкий электролит, известный также как пакет с гибким электролитом.

На Фиг.20 в изометрии схематически изображена производственная линия обработки, тестирования и сборки топливных элементов согласно настоящему изобретению.

Фиг.21 представляет собой блок-схему, где изображены основные шаги обеспечивающего экономический эффект процесса изготовления топливных элементов согласно настоящему изобретению.

На Фиг.22 схематически отдельно изображена часть пакета топливных элементов, пример которых показан на Фиг.18, где представлены пути перемещения топлива и окислителя и выпускные отверстия для отработанных продуктов.

ВАРИАНТЫ ВОПЛОЩЕНИЯ

Хотя на чертежах изображено соосное расположение каналов подачи топлива и воздуха, подразумевается, что упоминаемые далее каналы 42, 43 подачи топлива воздуха могут быть также смещены относительно друг друга на оси Z, обеспечивая эффективную работу в тех случаях, когда желательна большая степень разделения топлива и окислителя.

Фиг.1, 2 и 3 иллюстрируют реализации настоящего изобретения, в которых единый и цельный относительно компактный рамный элемент, снабженный отверстиями-перемычками и вводами, обеспечивает пропускание текучих сред между отдельными элементами, ее распределение, взаимодействие с катализаторами, крепление электролитов, внешние электрические подключения, блокировку с помощью направляющих, что приводит к упрощению конструкции топливного элемента. Каждый из компонентов, описанных в настоящем документе, специально разработан для изготовления такими обычными скоростными операциями массового производства, как штамповка для металлов и соответствующих типов пластмасс и ротационное формование для частично отвержденных материалов, например керамики и термореактивных полимеров, способами, сходными с теми, которыми изготавливаются обычные колеса или выпекаемое в формочках печенье.

На Фиг.1 показан в сборе простейший топливный элемент с твердым электролитом согласно настоящему изобретению, обозначенный в целом позицией 10, в котором распределительная пластина 11 для окислителя (см. также Фиг.8) и распределительная пластина 12 для топлива (см. также Фиг.10) присоединены к двум разным сторонам твердого электролита 13, часть которого показана в разрезе (см. изображение твердого электролита в сборе на Фиг.15), при этом положительный электрод присоединяется с одной стороны электролита, а отрицательный электрод - с другой стороны. После этого присоединения все подготовленные компоненты оказываются собранными в один узел и скрепляются способами, описанными в настоящем документе.

На Фиг.2 показан в сборе топливный элемент с гибким электролитом по настоящему изобретению, в котором компоненты, обозначенные в целом позицией 20, изготовлены, подготовлены и скреплены способами, описанными в настоящем документе. Эти компоненты включают контактную пластину 21 отрицательного электрода (см. Фиг.17), гибкий электролит в виде ПОМ 22 (см. Фиг.11), контактную пластину 23 положительного электрода (см. Фиг.16) и положительную распределительную пластину 11 для окислителя (см. Фиг.8). В пределах настоящего описания одинаковые детали в разных реализациях будут обозначаться одинаковыми номерами позиций.

На Фиг.3 показано, как выглядят компоненты сборки положительного (или отрицательного) электрода, обозначенного в целом позицией 30, которые были изготовлены, подготовлены и скреплены способами, описанными в настоящем документе. Сборка электрода 30 включает пластины 31, 31' катализатора для окислителя (см. также Фиг.7), расположенные над и под распределительной пластиной 11 для окислителя (см. Фиг.8). Пластины 31, 31' могут также включать зону 32, 33 прохождения катализатора и окислителя (см. Фиг.7).

На Фиг.4 показаны радиальные направленные наружу траектории внутренних потоков 36 топлива, исходящих из внутреннего центрального канала отрицательной распределительной пластины в конструкции топливного элемента согласно настоящему изобретению. И топливо, и окислитель подаются из центра и при необходимости выводятся из окислительного процесса с некоторыми видами топлива, обогащенного водородом, или отработанными продуктами. Как уже отмечалось, на чертежах показано соосное расположение каналов подачи топлива и воздуха; однако они могут быть также смещены относительно друг друга на оси Z, обеспечивая более эффективную работу в тех случаях, когда считается необходимой большая степень разделения топлива и окислителя.

Фиг.5 демонстрирует гибкость, заложенную в «модульном» подходе настоящего изобретения на примере положительных электродов, обозначаемых в целом позицией 40. Электрод 40 изготавливают штамповкой, прессованием в пресс-форме или литьем в виде цельной листовой детали со сплошной периферийной полосой 41, обеспечивающей герметизацию. В пластине электрода предусмотрены отверстия или каналы 42 для прохождения топлива от пластины к пластине, как показано на Фиг.4, а также отверстия или каналы 43 для окислителя и входное отверстие для поступления окислителя в топливный элемент. Имеются также отверстия 44 и выпускные отверстия 45 для топлива, которые обеспечивают проход от пластины к пластине и ведут к выпускным отверстиям для окислителя. Отводы 46, 46" для электрических соединений представляют собой единое целое с пластиной, а потому не требуют дополнительной обработки. Присутствие в пластине электрода фигурных элементов 47 для выравнивания, сборки и фиксации позволяет упростить конструкцию и обеспечивает прочность структуры топливного элемента.

Самая большая зона 48 пластины 40 отводится для распределения окислителя по электролиту, т.е. представляет собой рабочую область топливного элемента 40. Она обеспечивает прохождение окислителя, не нарушая при этом структурной жесткости и прочности пластины благодаря наличию поперечных и диагональных элементов 49. Рабочую область 48 изготавливают как часть пластины, получая при этом необходимые гофрированные участки и отверстия штамповкой или получая необходимые видоизменения формы и отверстия прессованием в пресс-форме или литьем, или спекая соответствующие материалы или пользуясь другими подходящими методами или же оставляя соответствующий участок открытым. Пластина может быть изготовлена из токопроводящих материалов, что уменьшает количество технологических операций или же из непроводящих материалов, на которые будут нанесены проводящие материалы путем нанесения покрытия, печати, электролитического осаждения, напыления или другими известными способами, что позволит снизить стоимость материала. Вся рабочая поверхность может быть покрыта катализатором путем нанесения покрытия, печати, электролитического осаждения, напыления или другими подходящими способами, если этот участок не оставляют открытым. Поверхность, на которой компоненты должны присоединяться друг к другу, может быть подготовлена печатью, избирательным нанесением покрытия, избирательным электролитическим осаждением или другими способами для последующего соединения путем пайки тугоплавким или эвтектическим припоем, приклеивания или другими известными способами. При накладывании на положительный электрод 40 твердого электролита и отрицательного электрода 50' будет образован топливный элемент в сборе. Как показано на Фиг.19, электроды могут иметь электролиты с обеих сторон.

На Фиг.6А показана пластина отрицательного электрода, обозначаемая в целом позицией 50, в которой топливо расходуется полностью и очертания которой, включая отверстия 42, 43, проходы 44, расширяющиеся выступы 51, 51' и фигурный элемент 47, совпадают по форме с соединяемыми с ней компонентами топливного элемента, например с пластиной положительного электрода на Фиг.5, благодаря чему отдельные компоненты могут быть уложены друг на друга. Главные отличия- это рабочая область 48', где топливо входит в контакт с электролитом, отверстия 43, ведущие к отверстиям для топлива, отсутствие возвратных каналов 45 для топлива, показанных на Фиг.5, благодаря полному использованию топлива и положение отводов 51, 51' для электрических соединений, отличающееся от положения отводов положительного электрода.

Фиг.6В аналогична Фиг.6А, но показанная на ней пластина отрицательного электрода, которая обозначена в целом позицией 50', предназначена для обогащенного водородом топлива, которое возвращается в свой источник. Как и пластина 50, отрицательный электрод 50' по своим основным очертаниям, т.е. по внешним контурам, наличию отверстий 42, 43, проходов 44, 45 и фигурного элемента 47, совпадает по форме с соединяемыми с ним компонентами топливного элемента, что дает возможность укладывать эти отдельные компоненты друг на друга. Различия между ними проявляются в рабочей области 48", где топливо входит в контакт с электролитом, отверстиях, ведущих к отверстиям 42, 43 для топлива и отводах 51, 51' для электрических соединений, положение которых отличается от положения отводов 46, 46' у положительных электродов (Фиг.5).

На Фиг.7 показана сборки положительного (или отрицательного) электрода, которая используется в сочетании с распределительной пластиной 11 для окислителя на Фиг.8 и другой пластиной пропускания окислителя, образуя положительный электрод в сборе, показанный на Фиг.3. Пластина 31 пропускания окислителя также совпадает по форме с распределительной пластиной 11 для окислителя (Фиг.8) и соединяемыми с ней компонентами топливного элемента. Зона 33 прохождения может пропускать через себя окислитель, образована теми же элементами, что и пластина пропускания окислителя, и представляет собой ее часть.

Мы установили, что одним из преимуществ сборных или ламинированных электродов является расположение катализаторов на удалении от электролита, что делает возможным присоединение электронов к образующимся ионам кислорода до их соединения с ионами топлива на выходе из электролита и тем самым повышает коэффициент полезного действия при обычном потоке, направленном к выпускному каналу 45. Еще одно установленное нами преимущество сборных или многослойных электродов заключается в возможности использовать при их изготовлении оборудование массового производства, например штамповочные машины.

На Фиг.8 показана отдельно распределительная пластина 11 для окислителя, которая по своим основным очертаниям подобна и совпадает по форме со сборкой положительного электрода на Фиг.5, в том числе по наличию отверстий 42, 43, проходов 44, 45 и фигурного элемента 47. Она может быть изготовлена из проводящих или непроводящих материалов и может включать отводы для электрических соединений. Распределительная пластина 11 для окислителя, показанная на Фиг.3, является частным случаем такой пластины, которая в сочетании с двумя пластинами 31 пропускания окислителя, пример которых показан на Фиг.7, образует положительный электрод в сборе, который укладывается на другие соединяемые компоненты топливного элемента. В другом примере, показанном на Фиг.1, распределительная пластина 11 для окислителя используется в сочетании со структурным твердым электролитом 13 и распределительной пластиной 12 для топлива, образуя топливный элемент в сборе. В еще одном примере, показанном на Фиг.2, распределительная пластина 11 для окислителя используется в сочетании со сборкой электродов и гибкой мембраны, образуя топливный элемент, пример которого показан на Фиг.19. Рабочая область 48 может быть сформирована так, как рабочая область в положительном электроде на Фиг.5, или полностью освобождена.

На Фиг.9 показана пластина прохождения топлива, обозначенная в целом позицией 60, которая используется в сочетании с распределительной пластиной для топлива, обозначенной в целом позицией 70 на Фиг.10, и еще одной пластиной прохождения топлива (отдельно не показана), образуя отрицательный электрод в сборе. Пластина 60 прохождения топлива также по своим основным очертаниям, за исключением отводов 51, 51' для электрических соединений, совпадает по форме с распределительной пластиной 70 для топлива, что позволяет ей образовать отрицательный электрод в сборе, пример которого показан на Фиг.6В, будучи уложенной на другие соединяемые компоненты топливного элемента. Зона 48 прохождения может пропускать через себя топливо, образована теми же элементами, что и пластина прохождения топлива, и представляет собой ее часть.

На упомянутом выше чертеже Фиг.10 распределительная пластина 70 для топлива показано отдельно. Так, пластина 70 подобна и совпадает по форме некоторыми своими очертаниями с отрицательным электродом 50' на Фиг.6В; она может быть изготовлена из проводящего или непроводящего материала и может включать отводы для электрических соединений. В одном из примеров распределительная пластина 70 для топлива, как указывалось выше, используется в сочетании с двумя пластинами 60 прохождения топлива, показанными на Фиг.9, образуя отрицательный электрод в сборе (подобный сборке электрода на Фиг.3) и может быть уложена на другие соединяемые компоненты топливного элемента для выработки необходимой мощности. Рабочая область 48 может быть сформирована по образцу рабочей области отрицательного электрода 50' (Фиг.6В) или полностью освобождена. В примере Фиг.1 распределительная пластина 12 для топлива используется в сочетании с твердым электролитом 13 и распределительной пластиной 11 для окислителя, образуя топливный элемент в сборе. Распределительная пластина для топлива может быть также уложена на сборку электродов и гибкой мембраны, пример которого показан на Фиг.2, образуя топливный элемент в сборе, пример которого показан на Фиг.19.

На Фиг.11 отдельно показан уже обсуждавшийся гибкий электролит 22, который также по своим основным очертаниям совпадает по форме 15 с соединяемыми с ним электродами топливного элемента, например электродами 30, 40, 50, 100, что дает возможность укладывать эти элементы друг на друга, образуя топливный элемент желаемой мощности. Гибкий электролит 22 фактически является проницаемым (т.е. допускающим прохождение) для мигрирующих ионов и должен физически опираться на структурную раму 24 или быть прикрепленным к электроду. Преимущество гибкого электролита, используемого в настоящем изобретении, состоит в том, что такие электролиты имеются в продаже.

На Фиг.12 отдельно показано вырезанное или формованное уплотнение положительного электрода, обозначаемое в целом позицией 80, которое может использоваться между положительным электродом 30, 40, 100 и гибким электролитом 22, образуя альтернативный вариант электрического сепаратора и средства замыкания. Это уплотнение электрода играет важную роль при использовании с такими компонентами топливного элемента, которые могут быть легко повреждены или имеют низкое электрическое сопротивление, то есть при действии факторов, способствующих отказу топливного элемента. Уплотнение 80 положительного электрода также по своим основным очертаниям совпадает по форме с другими укладываемыми друг на друга и соединяемыми деталями и обеспечивает их герметизацию.

На Фиг.13 отдельно показано вырезанное или формованное уплотнение 90 отрицательного электрода, которое, например, может использоваться между отрицательным электродом 50' (Фиг.6В) и гибким электролитом 22, образуя альтернативный вариант электрического сепаратора и средства замыкания. И в этом случае уплотнение электрода играет важную роль при использовании с компонентами топливного элемента, которые могут быть легко повреждены или имеют низкое электрическое сопротивление, то есть при действии факторов, способствующих отказу топливного элемента. Уплотнение отрицательного электрода также по своим основным очертаниям совпадает по форме с другими укладываемыми друг на друга и соединяемыми деталями и обеспечивает их герметизацию.

Фиг.14 иллюстрирует гибкость способа и процесса, реализующих «модульный» подход настоящего изобретения, на примере одного из электродов топливного элемента, а именно положительного электрода 100. Пластину 100 электрода изготавливают как цельную деталь штамповкой, прессованием в пресс-форме или литьем вместе со сплошной периферийной полосой 101, обеспечивающей герметизацию. Пластина 100 включает отверстия или каналы 42, 43 для прохождения топлива и окислителя, соответственно, от пластины к пластине, а также входное отверстие для поступления окислителя в топливный элемент. Кроме того, в пластину 100 включены отверстия 44 и выпускные отверстия 45 для топлива, которые обеспечивают проход от пластины к пластине и ведут к выпускным отверстиям для окислителя. Отводы 46, 46' для электрических соединений представляют собой единое целое с пластиной 100 и не требуют дополнительной обработки. Упоминавшийся выше фигурный элемент 47 для выравнивания, сборки и фиксации в пластине 100 электрода еще больше упрощает конструкцию и обеспечивает прочность структуры топливного элемента. Самая большая зона пластины отводится для распределения окислителя по электролиту 22. Контактные гребни 102, 103, обеспечивающие хороший механический/электрический контакт для отбора тока с боковых поверхностей элемента, изготавливаются как часть пластины 100 путем штамповки гофрированных участков или ребер на верхней и нижней поверхности или же путем прессования в пресс-форме или литья пластины с такими встроенными ребрами. Пластина 100 может быть изготовлена из токопроводящих материалов, что позволяет уменьшить количество технологических операций или же из непроводящих материалов, на которые будут нанесены проводящие материалы путем нанесения покрытия, печати, электролитического осаждения, напыления или другими традиционными методами, что также позволит снизить стоимость материала. Вся рабочая поверхность может быть покрыта слоем катализатора с помощью технологий нанесения покрытия, печати, электролитического осаждения, напыления или других. Поверхности, по которым компоненты будут прилегать друг к другу, могут быть подготовлены методами печати, избирательного нанесения покрытия, избирательного электролитического осаждения или подобными для последующего соединения методами пайки тугоплавким или эвтектическим припоем, приклеивания или другими известными методами. При наложении на положительный электрод 100 твердого электролита и аналогичного отрицательного электрода с контактными гребнями может быть образован топливный элемент в сборе. Как показано на Фиг.19, электроды могут иметь электролиты с обеих сторон.

На Фиг.15 показан твердый электролит 13, который также показан на Фиг.1 и по своим основным очертаниям совпадает по форме с соединяемыми с ним распределительными пластинами топливного элемента, что дает возможность укладывать эти элементы друг на друга, образуя топливный элемент желаемой мощности. Твердый электролит 13' фактически является проницаемым для мигрирующих ионов и во всех прочих отношениях представляет собой самостоятельный элемент, на который может быть нанесен проводящий материал электрода и который может быть присоединен к отдельным электродам или же к другим топливным элементам, образуя блок питания.

На Фиг.16 и 17 показаны контактные пластины положительного и отрицательного электродов, соответственно. Пластины изготавливают из диэлектрического (непроводящего) материала, например стекла, керамики, синтетической смолы и т.д., на который наносят описанную проводящую поверхность, протравленную или прорезанную фольгу, чернила и т.д. Затем эти пластины соединяют с твердым электролитом и подобными элементами, т.е. распределительными пластинами, сепараторами и т.д., формируя топливный элемент в сборе. Могут использоваться методы ламинирования, сходные с теми, которые используются при изготовлении многослойных печатных плат.

В собранном пакете с твердым электролитом, показанном на Фиг.18, в качестве топливных элементов, показанных отдельно на Фиг.1, используются установленные друг на друга твердооксидные топливные элементы. Положительные и отрицательные электроды накладываются непосредственно на противоположные стороны твердого электролита, распределительные пластины топлива и окислителя располагаются поочередно между сторонами электролита, покрытыми положительным и отрицательным электродами, так что стороны положительных электродов двух электролитов, расположенных друг напротив друга, имеют общую распределительную пластину для окислителя, и наоборот, стороны отрицательных электродов двух электролитов, расположенных друг напротив друга, имеют общую распределительную пластину для топлива. На Фиг.19 показан пакет топливных элементов с гибким электролитом, где используются топливные элементы, пример которых показан на Фиг.2. В другом варианте такие пакеты могут быть образованы чередующейся последовательностью гибких электролитов, покрытых с двух сторон положительными и отрицательными электродами или сборками электродов, примеры которых показаны на Фиг.3, 5, 6А, 6В и 14, так что положительные стороны двух электролитов, расположенные друг напротив друга, имеют общий положительный электрод, и наоборот, отрицательные стороны двух электролитов, расположенных друг напротив друга, имеют общий отрицательный электрод. В положительном электроде предусмотрены внутренние средства распределения окислителя, и в отрицательном электроде предусмотрены внутренние средства распределения топлива. Гибкий электролит ПОМ может устанавливаться в раму или опираться на пластину электрода, как показано на Фиг.2 или Фиг.11. Следует иметь в виду, что пакеты, показанные на Фиг.18 и 19, являются лишь частями или сегментами полного пакета, в который может входить несколько сотен топливных элементов. Кроме того, на крайние поверхности собранного пакета надеваются обычные в таких конструкциях крышки (не показаны).

На Фиг.20 показан один возможный подход к процессам обработки, тестирования и сборки, позволяющий изготовить упомянутые выше топливные элементы простым, эффективным и экономичным способом согласно настоящему изобретению. В частности, подложки для ПОМ, положительных и отрицательных электродов отматывают от больших рулонов базового материала и пропускают через печатные головки, в которых на них наносят положительный и отрицательный катализаторы. Подложки с отпечатавшимся на них слоем затем пропускают через обычные ротационные высекальные прессы, которые высекают их по размеру, соответствующему изготавливаемому топливному элементу, после чего их подбирают конвейеры. Для сведения воедино и соединения электролита с положительными и отрицательными электродами обычного типа, показанными на Фиг.2 и 11, используются обычные конвейерные технологии. После этого подбирающий челнок подбирает готовые топливные элементы и направляет их перед сборкой в пакеты на тестирование.

Этот процесс показан на блок-схеме Фиг.21, где показаны также подготовка сепараторов, используемых в пакете топливных элементов, тестирование пакета после его сборки и присоединение периферийных полос к пакетам, признанным годными или исправленным. Разумеется, необходимо принимать во внимание, что электролит и электроды могут изготавливаться из заготовок, не свернутых в рулоны. На Фиг.22 представлены основные пути прохождения топлива, воздуха и отработанных продуктов в типичной системе топливного элемента, изготовленной описанным выше способом.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Предлагаются топливный элемент и способ его изготовления, при этом топливный элемент впервые в практике может изготавливаться в больших объемах при относительно низкой стоимости, и процесс массового производства топливных элементов является устойчивым и надежным.

Хотя изобретение было подробно описано и проиллюстрировано, следует ясно понимать, что это описание и иллюстрации приведены в качестве примеров и не должны восприниматься в ограничительном смысле. Сущность и объем настоящего изобретения ограничиваются только содержанием пунктов прилагаемой формулы изобретения.

1. Топливный элемент в сборе, характеризующийся наличием следующих компонентов:
a) распределитель топлива,
b) распределитель окислителя, и
c) твердый электролит, который в рабочем положении расположен между распределителем топлива и распределителем окислителя, отличающийся тем, что твердый электролит содержит раму с центральной частью, с одной стороны которой к центральной части прикреплен положительный электрод и катализатор и с другой, противоположной, стороны к центральной части прикреплен отрицательный электрод и катализатор, отверстия для топлива и окислителя, расположенные в центре рамы, каналы для топлива и отработанных продуктов, расположенные в раме, и выступы электрических контактов, направленные наружу от рамы.

2. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что распределитель окислителя расположен с той стороны твердого электролита, где находится положительный электрод, и включает наружную раму, в которой, чередуясь, расположены каналы для топлива и каналы для отработанных продуктов, совпадающие по форме с каналами для топлива и отработанных продуктов в раме твердого электролита, отверстия для топлива и окислителя, совпадающие по форме с отверстиями твердого электролита, между рамой и отверстиями-перемычками проходит несколько элементов, которые определяют области, доступные для попадания в них окислителя, причем каналы для отработанных продуктов открыты с внутренней стороны рамы, сообщаясь с доступной областью, которая составляет большую часть площади распределителя окислителя.

3. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что распределитель топлива расположен с той стороны центральной части, где находится отрицательный электрод, и содержит наружную раму, в которой чередуясь расположены каналы для топлива и каналы для отработанных продуктов, совпадающие по форме с каналами для топлива и отработанных продуктов в раме твердого электролита, отверстия для топлива и окислителя, совпадающие по форме с отверстиями твердого электролита, причем между рамой и отверстиями проходит несколько элементов, которые определяют области, доступные для попадания в них топлива, причем каналы для отработанных продуктов открыты с внутренней стороны рамы, сообщаясь с доступной областью, которая составляет большую часть площади распределителя топлива.

4. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что распределитель топлива, распределитель окислителя и твердый электролит образуют топливный элемент в сборе с твердым или гибким электролитом, в котором указанные компоненты (a), (b) и (c) и их элементы образуют модульную легко выравниваемую и герметизируемую структуру с направляющими для выравнивания и блокировки, внутренними проходами для поступления топлива, проходами для распределения топлива, проходами для поступления окислителя, проходами для распределения окислителя, возвратными каналами и проходами для отработанных продуктов, которые включаются в модульную структуру, равно как и материалы электродов и катализатора, и снаружи указанной модульной структуры имеется доступ к отводам для электрических соединений.

5. Топливный элемент по п.4, отличающийся тем, что проходы для поступления топлива, распределения топлива, поступления окислителя, распределения окислителя, возвратные каналы и проходы для отработанных продуктов образованы и сформированы за счет указанных компонентов (a), (b) и (c) так, что когда указанные компоненты уложены друг на друга и выровнены, образуя топливный элемент в сборе или пакеты топливных элементов и их модулей, то проходы смежных компонентов, смежных топливных элементов, смежных пакетов и модулей совпадают по форме и образуют цельные соответствующие проходы от пластины к пластине, от топливного элемента к топливному элементу и от модуля к модулю, устраняя потребность в наружных входных и выходных отверстиях, а также в подведении наружных труб к каждому компоненту, топливному элементу, пакету или модулю.

6. Топливный элемент по п.4, отличающийся тем, что указанные компоненты являются основой для образования отдельного топливного элемента, либо пакета топливных элементов, либо модуля топливных элементов, имеющего концевые компоненты, находящиеся с каждого конца полного пакета или модуля, причем указанные концевые компоненты обеспечивают подключение проходов для поступления топлива, проходов для поступления окислителя, возвратных каналов и проходов для отработанных продуктов к соответствующим наружным соединительным патрубкам и снабжены приспособлениями для герметизированного соединения замыкающих деталей и остальной части топливного элемента.

7. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что отверстия, определяемые объединенной структурой распределителей и твердого электролита, расположены концентрично, ориентированы радиально и находятся по существу в одной плоскости.

8. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что твердый электролит содержит раму с ионопроницаемой центральной частью, и материал положительного электрода и катализатор приложены либо к первой стороне центральной части, либо к распределителю окислителя, и материал отрицательного электрода и катализатор приложены либо ко второй стороне центральной части, либо к распределителю топлива, причем проходы для поступления топлива и окислителя, возвратные каналы и проходы для отработанных продуктов расположены в раме.

9. Топливный элемент по п.8, отличающийся тем, что распределитель окислителя расположен с одной стороны центральной части и содержит наружную раму, в которой расположены чередующиеся каналы для топлива и каналы для отработанных продуктов, совпадающие по форме с каналами для топлива и каналами для отработанных продуктов рамы твердого электролита, отверстия для топлива и окислителя, совпадающие по форме с отверстиями твердого электролита, несколько элементов, соединяющих раму с отверстиями и определяющих зоны прохождения окислителя, и выступы электрических контактов, направленные наружу от рамы, причем указанный распределитель окислителя состоит из непроводящего материала или из непроводящего материала, на который с обеих сторон нанесен проводящий и каталитический материал, или из проводящего материала, на который с обеих сторон нанесен каталитический материал, и таким образом служит для распределения окислителя, в качестве опорной конструкции и для электрических соединений или в качестве положительного электрода с внутренним распределением окислителя.

10. Топливный элемент по п.8, отличающийся тем, что распределитель топлива расположен с противоположной стороны центральной части и содержит наружную раму, в которой расположены чередующиеся каналы для топлива и каналы для отработанных продуктов, совпадающие по форме с каналами для топлива и каналами для отработанных продуктов рамы твердого электролита, отверстия для топлива и окислителя, совпадающие по форме с отверстиями твердого электролита, несколько элементов, соединяющих раму с отверстиями-перемычками и определяющих зоны прохождения топлива, и выступы электрических контактов, направленные наружу от рамы, причем указанный распределитель топлива состоит из непроводящего материала или же из непроводящего материала, на который с обеих сторон нанесен проводящий и каталитический материал, или из проводящего материала, на который с обеих сторон нанесен каталитический материал, и таким образом служит для распределения топлива, в качестве опорной конструкции и для электрических соединений или в качестве отрицательного электрода с внутренним распределением топлива.

11. Топливный элемент по п.9, отличающийся тем, что распределитель окислителя с электродом или положительный электрод с внутренним распределением окислителя состоит из трех отдельных компонентов, а именно первой пластины для окислителя, второй пластины для окислителя, которая идентична первой пластине для окислителя, и распределительной пластины для окислителя, которая в рабочем положении установлена между первой и второй пластинами для окислителя, причем указанные три отдельных компонента скреплены вместе, образуя модульный распределитель окислителя и сборку электрода или же модульную сборку положительного электрода с внутренним распределением окислителя.

12. Топливный элемент по п.10, отличающийся тем, что распределитель топлива с электродом или отрицательный электрод с внутренним распределением топлива состоит из трех отдельных компонентов, а именно первой пластины для топлива, второй пластины для топлива, которая идентична первой пластине для топлива, и распределительной пластины для топлива, которая в рабочем положении установлена между первой и второй пластинами для топлива, причем указанные три отдельных компонента образуют вместе модульный распределитель топлива и сборку электрода или же модульную сборку отрицательного электрода с внутренним распределением топлива.

13. Топливный элемент по п.9, отличающийся тем, что распределитель окислителя с электродом или положительный электрод с внутренним распределением окислителя имеет на своих обеих сторонах контактные гребни, которые обеспечивают альтернативную возможность прикрепления твердых электролитов.

14. Топливный элемент по п.10, отличающийся тем, что распределитель топлива с электродом или отрицательный электрод с внутренним распределением топлива имеет на своих обеих сторонах контактные гребни, которые обеспечивают альтернативную возможность прикрепления твердых электролитов.

15. Топливный элемент по п.8, отличающийся тем, что твердый электролит, распределители и включающие их сборки имеют такую конструкцию, что сторона с распределением топлива у одного электролита обращена к такой же стороне с распределением топлива у следующего электролита, что позволяет пользоваться общим распределителем топлива, и сторона окислителя одного электролита обращена к стороне окислителя следующего электролита, что позволяет пользоваться общим распределителем окислителя и в целом уменьшает размеры и массу всего пакета топливных элементов.

16. Топливный элемент по п.8, отличающийся тем, что компоненты, содержащие электроды, и электропроводные компоненты, а также их сборки включают свободно выбираемые снаружи и подсоединяемые электрические отводы, которые выходят наружу из рам компонентов, при этом расположение и конфигурация указанных отводов позволяют в любой момент однозначно определить отрицательные и положительные полюсы, и указанные отводы совпадают по форме с аналогичными отводами смежных компонентов топливных элементов и целых топливных элементов, что позволяет отбирать ток с боковых поверхностей всей конструкции и устраняет необходимость во внутренних электрических контактах между отдельными топливными элементами, которым свойственны отказы, связанные с перегревом, сопротивлением, коррозией, а также в биполярных сепараторах.

17. Топливный элемент по п.15, отличающийся тем, что общие пространства между анодами и катодами и выведенные наружу свободно выбираемые и подсоединяемые электрические отводы обеспечивают возможность электрического соединения каждых двух соседних топливных элементов, тем самым эффективно удваивая активную поверхность пакета и создавая возможность использовать сборки по меньшей мере из двух топливных элементов в качестве сменных модульных единиц.

18. Топливный элемент по п.4, отличающийся тем, что конструкция распределителей окислителя и топлива позволяет облегчить течение текучих сред, добиваясь желаемого распределения по поверхностям, расхода топлива и отвода увеличенных объемов отработанных текучих продуктов без использования компрессоров и детандеров топлива.

19. Топливный элемент по п.4, отличающийся тем, что контур рециркуляции топлива функционирует как теплопередающая среда, в которой избыточный поток текучей среды на катоде используется для отвода тепла.

20. Топливный элемент по п.4, отличающийся тем, что между смежными компонентами топливного элемента или сборками топливных элементов расположены совпадающие с ними по форме уплотнительно-замыкающие проставки из непроводящего материала, которые обеспечивают альтернативный вариант электрического сепаратора и средства замыкания.

21. Топливный элемент по п.4, отличающийся тем, что все уплотнительно-замыкающие проставки для проходов, камер, отверстий и периферийных полос изготовлены одновременно нанесением формованного сжимаемого материала, вяжущих средств, присоединением с образованием химических связей, пайкой эвтектическим припоем или приклеиванием металлических частей.

22. Топливный элемент по п.8, отличающийся тем, что: распределители или электроды сформированы штамповкой, спеканием, прессованием в пресс-форме, литьем, многослойным ламинированием или травлением; рабочая область изготовлена как часть пластины с использованием штамповки для получения необходимых гофрированных участков и отверстий, с использованием прессования в пресс-форме или литья для получения необходимых видоизменений формы и отверстий, с использованием спекания или же с оставлением соответствующих участков открытыми;
пластина изготовлена из проводящих материалов или из непроводящих материалов, на которые нанесены проводящие материалы путем нанесения покрытия, печати, электролитического осаждения или напыления;
поверхность, по которой компоненты прикрепляются друг к другу, подготовлена методами печати, избирательного нанесения покрытия или избирательного электролитического осаждения для последующего соединения пайкой тугоплавким или эвтектическим припоем или приклеиванием.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к топливным элементам. Технический результат - повышение долговечности топливных элементов путем регулирования давления на электродах.

Система топливного элемента содержит топливный элемент (10), первую камеру (20) сгорания, первый обратный канал (17) для обогревающего газа и систему (50) подачи газа. Топливный элемент (10) включает в себя элемент с твердым электролитом с анодом (12) и катодом (13).

Предусмотрена система генерирования мощности на топливных элементах, в которой уменьшена потеря мощности в линии питания, электрически соединяющей батарею и схему преобразования мощности, тем самым достигается высокая эффективность генерирования мощности.

Способ хранения топливного элемента включает первый этап калибровки эталонной мембраны с помощью ядерного магнитного резонанса с целью получения кривой зависимости максимальной водной нагрузки (λmaxx(T)) мембраны от температуры мембраны (3), и второй этап калибровки стандартного элемента с целью получения зависимости между электрическим сопротивлением стандартного элемента, водной нагрузкой (λ) его мембраны и его температурой (T).

Изобретение относится к способу и устройству для выведения отработанных и, по меньшей мере, отчасти способных взрываться рабочих сред топливного элемента (1) в системе (20) топливных элементов с сенсорным устройством (30) для контролирования рабочих сред, выведенных из рабочего пространства (27).

Изобретение относится к области электрохимической энергетики, а именно к устройствам непосредственного преобразования химической энергии водородосодержащего топлива в электрическую энергию.

Изобретение относится к энергетике и может использоваться в автономных, резервных, авиационных энергоустановках. .

Изобретение относится к когенерационной системе на топливных элементах, предназначенной для получения горячей воды путем рекуперации и использования бросового тепла топливного элемента.

Изобретение относится к энергетике, в частности к системе диагностики топливного элемента и других химических источников электроэнергии, и может использоваться в автономных, резервных, авиационных энергоустановках. Техническим результатом, достигаемым предлагаемым способом, является качественный и непрерывный контроль, позволяющий отслеживать состояние топливного элемента и предсказывать его работоспособность и длительность работы. В предложенном способе измеряют напряжение эталонного электрода, установленного на одном из рабочих электродов топливного элемента, и вычисляют степень его износа и сравнивают со значением критического износа источника тока, после чего делают вывод о пригодности или непригодности дальнейшей эксплуатации источника тока. 1 ил.

Изобретение относится к твердотельным оксидным топливным элементам со способностью к внутреннему риформингу. Твердотельный оксидный топливный элемент обычно включает катод, электролит, анод и слой катализатора, находящийся в соприкосновении с анодом. Слой катализатора может включать опорную мембрану и катализатор риформинга, который объединен с опорной мембраной. В некоторых вариантах осуществления катализатор риформинга может включать один или несколько катализаторов риформинга с частичным окислением. Заявленное изобретение также предоставляет способы изготовления и эксплуатации твердотельных оксидных топливных элементов. Техническим результатом является возможность работы топливных элементов непосредственно на нереформированном углеводородном топливе без деградации анода вследствие закоксовывания. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к способу изготовления металлического стального сепаратора для топливных элементов, который обладает коррозионной стойкостью и контактным сопротивлением не только в начальной стадии, но также и после влияния условий высокой температуры и/или высокой влажности в топливном элементе в течение длительного периода времени. Способ включает подготовку листа нержавеющей стали в качестве матрицы металлического сепаратора, формирование прерывистой покровной пленки на поверхности листа нержавеющей стали, причем покровная пленка содержит по меньшей мере одно вещество, выбранное из следующих: золото (Au), платина (Pt), рутений (Ru), иридий (Ir), оксид рутения (RuO2) и оксид иридия (IrO2),; и термическую обработку листа нержавеющей стали, содержащего прерывистую покровную пленку, для формирования оксидной пленки на части листа нержавеющей стали, на которой не сформирована покровная пленка. Также раскрыт металлический сепаратор для топливных элементов, изготовленный этим способом.2 н. и 9 з.п. ф-лы, 12 ил., 1 табл., 8 пр.

Предложена система (100) топливного элемента, включающая в себя топливный элемент (1) для генерирования энергии путем осуществления электрохимической реакции между газом-окислителем, подаваемым на электрод (34) окислителя, и топливным газом, подаваемым на топливный электрод (67); систему (HS) подачи топливного газа для подачи топливного газа на топливный электрод (67); и контроллер (40) для регулирования системы (HS) подачи топливного газа, чтобы подавать топливный газ на топливный электрод (67), причем контроллер (40) осуществляет изменение давления, когда выход стороны топливного электрода (67) закрыт, при этом контроллер (40) периодически изменяет давление топливного газа у топливного электрода (67) на основе первого профиля изменения давления для осуществления изменения давления при первом размахе давления (ДР1). Повышение однородности топливного газа и снижение напряжения, прилагаемого к топливному элементу, является техническим результатом изобретения. 4 н. и 17 з.п. ф-лы, 22 ил.

Изобретение относится к энергоустановкам c твердополимерными топливными элементами (ТЭ), в которых получают электроэнергию за счет электрохимической реакции газообразного водорода с двуокисью углерода, и электрохимической реакции окиси углерода с кислородом воздуха. Предложена также система энергопитания с получением электроэнергии из водорода с использованием батареи твердополимерных ТЭ, которая снабжена регенеративным теплообменником подачи воздуха и регенеративным теплообменником нагрева окиси углерода и охлаждения двуокиси углерода, выход которого соединен трубопроводом, с установленным на нем обратным клапаном, с баллоном с двуокисью углерода, который через клапан подачи двуокиси углерода, подсоединен к входу окислителя для его подачи в батарею твердополимерных ТЭ. Повышение КПД в системе получения электроэнергии, является техническим результатом заявленного изобретения 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к технике связи и может использоваться в системах беспроводной передачи. Технический результат состоит в повышении точности оценки канала. Для этого в терминале, который передает опорный сигнал с использованием n, где n - неотрицательное целое число, большее или равное 2, блоков полосы, которые в данном случае соответствуют кластерам, разделенных между ними промежутками в частотном измерении, контроллер опорного сигнала переключает способ формирования опорного сигнала на генераторе опорного сигнала между первым способом формирования и вторым способом формирования на основании количества блоков полосы. Блок задания порогового значения регулирует пороговое значение переключения на основании частотного разнесения между блоками полосы. 6 н. и 8 з.п. ф-лы, 19 ил.

Изобретение относится к источникам энергии, в частности к воздушно-алюминиевым источникам тока, в частности к способу ввода расходуемого электрода в воздушно-алюминиевый источник тока. Техническим результатом изобретения является обеспечение автоматического ввода электрода в воздушно-алюминиевый источник тока без прерывания цепи энергообеспечения с отводом выделившегося во время работы водорода и повышение энергетических показателей работы топливного элемента. Указанный технический результат достигается за счет того, что расходуемый электрод в виде стержня с винтовой поверхностью перемещается внутри корпуса воздушно-алюминиевого источника тока по мере его выработки, при этом перемещение расходуемого электрода происходит в результате ввинчивания его в гидрофобные крышки, которые изготовлены из гидрофобного материала (фторопласт, полиэтилен), при этом электролит остается внутри топливного элемента, а выделившийся во время работы водород удаляется по винтовой поверхности из корпуса воздушно-алюминиевого источника тока. Предложенный способ позволяет автоматизировать процесс замены расходуемого электрода в воздушно-алюминиевом источнике тока без прерывания цепи энергообеспечения. 2 ил.

Группа изобретений относится к топливным элементам. Технический результат - повышение эффективности вырабатывающего электроэнергию элемента. Предлагаются комплекс топливного элемента и способ управления им. Комплекс топливного элемента содержит: топливный элемент, выполненный из множества укомплектованных вырабатывающих электроэнергию элементов, блок измерения напряжения ячейки, обнаруживающий отрицательное напряжение в любом из вырабатывающих электроэнергию элементов, блок управления, регулирующий выходную электрическую мощность топливного элемента, и блок определения суммарной величины тока, определяющий суммарную величину тока, получаемую интегрированием по времени выходного тока топливного элемента. Блок управления предварительно запоминает корреляцию между суммарными величинами тока и плотностями тока, которые допустимы для данного топливного элемента в период, в течение которого генерируется отрицательное напряжение. Если обнаруживается отрицательное напряжение, то блок управления выполняет процесс ограничения выхода для ограничения выходной электрической мощности топливного элемента, чтобы попадать в допустимый рабочий диапазон, определяемый допустимыми суммарными величинами тока и допустимыми значениями плотностей тока указанной корреляции. 4 н. и 16 з.п. ф-лы, 26 ил.

Изобретение относится к технологии топливных элементов, а более конкретно к сборному модулю из батарей твердооксидных топливных элементов. Технический результат - обеспечение компактности, простота перехода батарея/система и улучшение характеристик системы. Сборный модуль из батарей твердооксидных топливных элементов содержит несколько топливных элементов, скомпонованных, по меньшей мере, в два последовательно соединенных по катодному газу батарейных модуля, содержащих, по меньшей мере, одну батарею в каждом модуле. Катодный газ, выходящий из первого первичного батарейного модуля, поступает на входное отверстие для катодного газа следующего, по меньшей мере, одного вторичного последовательно соединенного батарейного модуля. Каждый батарейный модуль имеет первый боковой распределитель на входе катодного газа, общий для всех батарей названного модуля, и второй боковой распределитель на выходе катодного газа, общий для всех батарей названного модуля. Катодный газ последовательно присоединяется от первого первичного батарейного модуля к следующему, по меньшей мере, к одному вторичному батарейному модулю в последовательном соединении через названные общие боковые распределители. Изобретение относится также к способу эксплуатации сборного модуля. Модули изобретения спроектированы с учетом технологических требований, сбалансированного регулирования теплообмена и максимального использования топлива. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 2 ил.

Настоящее изобретение относится к газогенератору для конверсии топлива в обедненный кислородом газ и/или обогащенный водородом газ, который может быть использован в любом процессе, требующем обедненного кислородом газа и/или обогащенного водородом газа, предпочтительно, используют его для генерирования защитного газа или восстановительного газа для запуска, выключения или аварийного отключения твердооксидного топливного элемента (SOFC) или твердооксидного элемента электролиза (SOEC). Настоящее изобретение предлагает способ конверсии топлив в обедненный кислородом газ и/или обогащенный водородом газ, который предусматривает каталитическое сжигание топлива в первой каталитической горелке, сжигание дымового газа во второй каталитической горелке, а также снижение количества кислорода и моноокиси углерода. Изобретение позволяет увеличивать работоспособность твердооксидных топливных элементов и обеспечить безопасность их работы. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 пр.
Наверх