RU2351041C2 - Распределение газа в топливных элементах - Google Patents
Распределение газа в топливных элементах Download PDFInfo
- Publication number
- RU2351041C2 RU2351041C2 RU2006139130/09A RU2006139130A RU2351041C2 RU 2351041 C2 RU2351041 C2 RU 2351041C2 RU 2006139130/09 A RU2006139130/09 A RU 2006139130/09A RU 2006139130 A RU2006139130 A RU 2006139130A RU 2351041 C2 RU2351041 C2 RU 2351041C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fuel cell
- chamber
- diffusion material
- electrode
- sheet
- Prior art date
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 88
- 238000009826 distribution Methods 0.000 title claims description 18
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 87
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 83
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 52
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 14
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 10
- 230000001788 irregular Effects 0.000 claims description 5
- 230000035699 permeability Effects 0.000 claims description 5
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims description 2
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims description 2
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 claims description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000012528 membrane Substances 0.000 abstract description 7
- 238000007789 sealing Methods 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 14
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 238000010926 purge Methods 0.000 description 9
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 8
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 6
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- WYTGDNHDOZPMIW-RCBQFDQVSA-N alstonine Natural products C1=CC2=C3C=CC=CC3=NC2=C2N1C[C@H]1[C@H](C)OC=C(C(=O)OC)[C@H]1C2 WYTGDNHDOZPMIW-RCBQFDQVSA-N 0.000 description 4
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 4
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 4
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 3
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 3
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 3
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 2
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 1
- 238000011217 control strategy Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 230000036571 hydration Effects 0.000 description 1
- 238000006703 hydration reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003014 ion exchange membrane Substances 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 230000007257 malfunction Effects 0.000 description 1
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 1
- 229920005597 polymer membrane Polymers 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/023—Porous and characterised by the material
- H01M8/0234—Carbonaceous material
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0247—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
- H01M8/0263—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant having meandering or serpentine paths
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
- H01M8/04231—Purging of the reactants
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1007—Fuel cells with solid electrolytes with both reactants being gaseous or vaporised
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
- H01M8/242—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes comprising framed electrodes or intermediary frame-like gaskets
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/2457—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with both reactants being gaseous or vaporised
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
- H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04104—Regulation of differential pressures
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/32—Hydrogen storage
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Изобретение относится к топливным элементам (ТЭ) с твердым полимерным электролитом. Согласно изобретению ТЭ содержит мембрано-электродную сборку (МЭС), имеющую наружную поверхность электрода анода; анодную пластину, примыкающую к указанной наружной поверхности электрода МЭС и присоединенную к ней с помощью уплотнительной прокладки. Уплотнительная прокладка, наружная поверхность электрода и анодная пластина вместе образуют замкнутый объем для заполнения текучей средой, предназначенный для подвода анодной текучей среды к наружной поверхности электрода. В указанном объеме для заполнения текучей средой расположен лист пористого диффузионного материала и имеется, по меньшей мере, одна камера, образованная между, по меньшей мере, одним боковым торцом листа диффузионного материала и уплотнительной прокладкой. Текучая среда может подводиться к активной поверхности МЭС посредством камеры и за счет диффузии через диффузионный материал, причем в таком количестве, что наличие каналов раздачи текучей среды в анодной пластине не требуется. Техническим результатом изобретения является повышение удельных электрических характеристик. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 16 ил.
Description
Настоящее изобретение относится к топливным элементам, в частности к способам и устройствам для подачи текучей среды к поверхности анодных и/или катодных пластин, например топливным элементам из твердого полимерного электролита.
Известные электрохимические топливные элементы превращают топливо и окислитель в электрическую энергию и продукт реакции. На фиг.1 представлена типичная компоновка топливного элемента 10, причем для ясности данный чертеж демонстрирует различные слои конструкции топливного элемента в разобщенном виде. Между анодом 12 и катодом 13 расположена ионообменная мембрана 11 из твердого полимера. Как правило, анод 12 и катод 13, оба изготовлены из электропроводного пористого материала, например пористого углерода, с которым связаны небольшие частицы из платины и/или другого катализатора из благородного металла. Анод 12 и катод 13 обычно присоединены непосредственно к соответствующим примыкающим поверхностям мембраны 11. Такое соединение компонент топливного элемента обычно называют мембрано-электродной сборкой или, сокращенно, МЭС.
Полимерная мембрана и слои пористых электродов размещены между анодной пластиной 14 для распределения потока текучей среды и катодной пластиной 15 для распределения потока текучей среды. Кроме того, между анодной пластиной 14 для распределения текучей среды и анодом 12, а также аналогичным образом между катодной пластиной 15 для распределения потока текучей среды и катодом 13 могут быть размещены промежуточные защитные слои 12а и 13а. Защитные слои имеют пористую структуру и изготовлены так, что они обеспечивают эффективную диффузию газа к поверхностям анода и катода и от этих поверхностей, а также способствуют регулированию распределения паров воды и жидкой фазы воды.
Пластины 14 и 15 для распределения потока текучей среды выполнены из электропроводного непористого материала, за счет чего может быть осуществлен электрический контакт с соответствующими электродами, анодом 12 или катодом 13. В то же самое время пластины для распределения потока текучей среды способствуют подводу к пористым электродам 12, 13 и/или отводу от них текучего топлива, окислителя и/или продукта реакции. Обычно это осуществляют путем формирования каналов раздачи текучей среды на поверхности пластин для распределения потока текучей среды, например, в виде пазов или каналов 16 на поверхности, обращенной к пористым электродам 12, 13.
Кроме того, на фиг.2а показана одна известная конфигурация каналов раздачи текучей среды, которая представляет собой извилистую (змеевидную) структуру 20 на наружной поверхности анода 14 (или катода 15), имеющей входной коллектор 21 и выходной коллектор 22, как это показано на фиг.2а. В известной конструкции, как видно, змеевидная структура 20, представляет собой канал 16 на поверхности пластины 14 (или 15), в то же время каждый из коллекторов 21 и 22 включает проходящее сквозь пластину отверстие так, чтобы текучая среда, подводимая к каналу 16 или отводимая из него, могла проходить через толщину пакета, образованного из большого количества пластин, в направлении, перпендикулярном пластине, указанном стрелкой на фиг.2b, на которой изображен поперечный разрез по линии А-А, показанной на фиг.2а.
В батарее могут быть выполнены другие отверстия 23, 25 коллекторов, обеспечивающие подвод топлива, окислителя, других текучих сред или отработанных газов в другие каналы, имеющиеся в пластинах (не показаны).
Известны различные конфигурации каналов 16, выполненных в пластинах 14 и 15 для распределения потока текучей среды. Одна конфигурация, которую обычно используют для подачи окислителя и отвода продукта реакции, представляет собой змеевидную структуру с открытыми концами, показанную на фиг.2, где каналы проходят между входным коллектором 21 и выходным коллектором 22, обеспечивая непрерывный поток текучей среды. В соответствии с другой известной конфигурацией каналы 16 могут быть закрыты на одном конце, т.е. каждый канал сообщается только с входным коллектором 21 для подачи текучей среды в расчете на полную 100%-ную передачу газообразного вещества в пористые электроды МЭС или из них. Закрытый таким образом канал может быть использован для подачи водородного топлива к элементам 11-13 конструкции МЭС гребенчатого типа.
На фиг.3 показан поперечный разрез части батареи, образованной из пластин, входящих в сборную конструкцию 30 известной батареи топливных элементов. В этой конструкции соседние анодная и катодная пластины для распределения потока текучей среды объединены известным образом с образованием единой биполярной пластины 31, имеющей анодные каналы 32 на одной контактной поверхности и катодные каналы 33 на противоположной контактной поверхности, причем каждая из этих поверхностей примыкает к соответствующей мембрано-электродной сборке (МЭС) 34. Все отверстия 21 входного коллектора и отверстия 22 выходного коллектора совмещены для образования входного и выходного коллекторов для всей батареи топливных элементов. Различные компоненты батареи топливных элементов на чертеже показаны слегка отделенными друг от друга, хотя понятно, что при необходимости они будут прижаты друг к другу с помощью уплотнительных прокладок.
Формирование каналов 16 для потока текучей среды в пластинах для распределения потока текучей среды представляет собой технологический процесс, характеризуемый строгими (техническими) требованиями, проводимый обычно посредством химического травления или другого метода, обеспечивающего высокое разрешение для того, чтобы можно было достигнуть соответствующей точности по глубине, ширине и конфигурации каналов 16, и в то же время возможность изготовления пластин для распределения потока текучей среды как можно более тонкой. Какие-либо несоответствия при проведении процесса химического травления, приводящие к изменениям глубины, ширины и конфигурации пластины для распределения потока текучей среды, могут серьезно нарушить течение текучей среды, направляемый к МЭС или из МЭС.
Например, перепад давления между входным отверстием 21 и выходным отверстием 22 может значительно изменяться от пластины к пластине и, следовательно, от одного топливного элемента к другому в пределах батареи топливной батареи. Некачественное изготовление топливных элементов может привести к необходимости более частых операций продувки анода во время эксплуатации топливного элемента или же может потребоваться особая методика тарировки топливного элемента, которая является дорогостоящей и требует затрат времени. Плохо изготовленные топливные элементы ограничивают общую электрическую мощность батареи топливных элементов, на которую в целом значительно влияет функционирование наиболее слабого топливного элемента.
Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы минимизировать проблемы, связанные с формированием каналов раздачи текучей среды в пластине для распределения потока текучей среды, и/или проблемы, возникающие из-за изменений характеристик таких каналов от одного топливного элемента к другому.
Задача настоящего изобретения состоит также в увеличении показателя удельной электрической мощности батареи топливных элементов за счет уменьшения толщины анодной пластины для распределения потока без значительной потери выходной электрической мощности.
В соответствии с одним аспектом настоящее изобретение предлагает топливный элемент, содержащий
мембрано-электродную сборку, имеющую наружную поверхность электрода анода;
анодную пластину, примыкающую к указанной наружной поверхности электрода мембрано-электродной сборки и присоединенную к ней с помощью уплотнительной прокладки;
при этом уплотнительная прокладка, наружная поверхность электрода и анодная пластина все вместе образуют объем для заполнения текучей средой, служащий для подачи анодной текучей среды к наружной поверхности электрода; а также
лист пористого диффузионного материала, размещенный в объеме для заполнения текучей средой, и, по меньшей мере, одну камеру, образованную между, по меньшей мере, одним боковым торцом листа диффузионного материала и уплотнительной прокладкой.
Согласно другому аспекту настоящее изобретение предлагает топливный элемент, содержащий
мембрано-электродную сборку, имеющую наружную поверхность электрода катода;
катодную пластину, примыкающую к указанной наружной поверхности электрода мембрано-электродной сборки и присоединенную к ней посредством уплотнительной прокладки;
при этом уплотнительная прокладка, наружная поверхность электрода и катодная пластина все вместе образуют объем для заполнения текучей средой, служащий для подачи катодной текучей среды к поверхности электрода и/или для отвода катодной текучей среды от наружной поверхности электрода; и
лист пористого диффузионного материала, размещенного в объеме для заполнения текучей средой и имеющий по меньшей мере одну камеру, образованную между по меньшей мере одним боковым торцом листа диффузионного материала и уплотнительной прокладкой.
Примеры осуществления настоящего изобретения далее будут раскрыты со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Фиг.1 - схематическое изображение части известного топливного элемента, вид в разрезе.
Фиг.2а и 2b - пластина для распределения потока текучей среды топливного элемента, показанного на фиг.1, упрощенные вид в плане и вид в разрезе соответственно.
Фиг.3 - известная батарея топливных элементов с биполярными пластинами, поперечное сечение.
Фиг.4а - конструктивное выполнение анода, содержащего лист диффузионного материала, размещенного определенным образом относительно уплотнительной прокладки и отверстий для входа и выхода текучей среды, вид в плане. Фиг.4b - вид сбоку в разрезе по линии А-А на фиг.4а.
Фиг.5 - конструктивное выполнение анода, показанного на фиг.4, с изображением направления потока газа для случая нормального функционирования анода (фиг.5а) и случая нарушения нормальной работы анода (фиг.5b), вид в плане.
Фиг.6 - ряд альтернативных конфигураций камеры, образованной между боковыми торцами листа диффузионного материала и периферийной уплотнительной прокладки.
Фиг.7 - конструкция анода, содержащего кратное количество половинок топливного элемента, расположенных в одной плоскости, имеющих общую анодную пластину.
Фиг.8 - альтернативная конфигурация камеры, образованной между боковыми краями листа диффузионного материала и периферийной уплотнительной прокладки.
Известные конструкции анодных и катодных пластин для распределения потока текучей среды, на поверхности которых выполнены каналы раздачи текучей среды, уже были описаны выше со ссылками на фиг.1 и 3. Эти каналы раздачи текучей среды в основном проходят по значительной части поверхности этих пластин и используются для подвода достаточного количества анодных и катодных текучих сред к активным поверхностям МЭС. Как, кроме того, показано на фиг.1, в конструкцию известного топливного элемента включен пористый диффузионный материал 12а, 13а с тем, чтобы способствовать транспортированию текучей среды от каналов 16 к МЭС 11. Такое решение позволяет реализовать существенный диффузионный поток в направлении поперек плоскости (т.е. нормально или в поперечном направлении относительно плоскости расположения пористого материала) и небольшой диффузионной поток в плоскости (т.е. параллельно плоскости расположения пористого материала) с обеспечением тем самым диффузии анодной текучей среды из каждого отдельного канала 16. Таким путем осуществляется эффективное транспортирование анодной текучей среды ко всей активной поверхности анода МЭС (и от всей этой поверхности), а также эффективное транспортирование катодной текучей среды ко всей активной поверхности катода МЭС (и от всей этой поверхности).
Настоящее изобретение предусматривает применение определенных типов пористого диффузионного материала в совокупности с созданием разности давления между входным и выходным отверстиями, чтобы обеспечить в достаточном количестве транспортирование текучей среды в пористом материале, в направлении вдоль плоскости расположения слоя пористого материала, при этом такое транспортирование текучей среды ко всей поверхности мембраны возможно без использования каналов раздачи текучей среды, выполненных в анодной пластине.
В соответствии с фиг.4 контактная поверхность анода в мембрано-электродной сборке 40 покрыта сверху уплотнительной прокладкой 41 по всему ее периметру. Уплотнительная прокладка 41 включает два выреза 42, 43 вокруг отверстия 44 для входа текучей среды и отверстия 45 для выхода текучей среды, расположенных на периферии анодной поверхности МЭС 40. Снаружи уплотнительной прокладки наложена электропроводная анодная пластина 46 (изображена на фиг.4b пунктирной линией и для наглядности немного отделена от этой прокладки, но на фиг.4а исключена для того, чтобы показать находящуюся ниже конструкцию).
Наружная поверхность анода МЭС 40, уплотнительная прокладка 41 и анодная пластина 46 вместе образуют замкнутый объем 47 для заполнения текучей средой, расположенный между отверстием 44 для входа текучей среды и отверстием 45 для выхода текучей среды. Указанный объем для заполнения текучей средой образуется за счет непроницаемости анодной пластины 46 и уплотнительной прокладки 41 в совокупности с МЭС, имеющей ограниченную проницаемость (т.е. по существу пропускающую только поток ионов). Внутри замкнутого объема 47, заполненного текучей средой, размещен лист 48 диффузионного материала. Лист диффузионного материала отрезают с приданием ему формы, которая позволяет сформировать одну или большее количество камер 49, 50 между боковыми торцами 51, 52 листа 48 и уплотнительной прокладкой 41. В частности, в примере осуществления, иллюстрируемом на фиг.4, первая камера 49 представляет собой входную камеру, которая проходит вокруг большей части периметра листа, образованной периферийным боковым торцом 51 листа 48 диффузионного материала (т.е. большей части трех сторон листа). Вторая камера 50 представляет собой выходную камеру, проходящую вокруг меньшей части периметра, образованной периферийным боковым торцом 52 листа 48 диффузионного материала.
Анодная пластина 46 предпочтительно не имеет каких-либо каналов 16 на ее поверхности 52, контактирующей с электродом 40 и диффузионным листом 48, поскольку транспортировка текучей среды может полностью осуществляться посредством камер 49, 50 и самого диффузионного материала. Это более детально иллюстрируется на фиг.5.
Фиг.5а отображает картину течения потока текучей среды в процессе нормального функционирования топливного элемента. Входящие флюиды, поступающие под давлением из входного отверстия 44, распределяются вдоль входной камеры 49 и проходят в тело пористого диффузионного листа 48 (и расположенную под ним МЭС 40), как показано стрелками. При таком нормальном режиме работы нет необходимости в использовании выходной камеры 50 (хотя она может выполнять свою функцию), поскольку основная задача заключается в подводе текучего топлива к активной наружной поверхности анода МЭС 40. Предпочтительно это достигается путем адекватной подачи топлива ко всем активным частям наружной поверхности анода МЭС 40 так, чтобы поддерживать требуемый подвод электрической энергии от топливного элемента без образования локализованных горячих пятен. Однако это не предотвращает возможности того, что в процессе нормального функционирования топливного элемента некоторая небольшая часть топлива или некоторое количество побочного продукта реакции может быть вытеснено к выходной камере 50 и тем самым к выходному отверстию 45.
Фиг.5b иллюстрирует картину распределения потока текучей среды в режиме продувки топливного элемента. Входящие флюиды, поступающие под давлением из входного отверстия 44, распределяются вдоль входной камеры 49 и через тело пористого диффузионного листа 48 (и расположенную под ним МЭС 40) поступают в выходную камеру 50 и, следовательно, к выходному отверстию 45, как это показано стрелками. Специалисту, знакомому с работой топливных элементов, понятно, что регулярное переключение топливного элемента на режим продувки в случае снижения рабочих характеристик топливного элемента (например, из-за накопления воды в электродах) часто используют как часть стратегии управления системой выработки электрической энергии.
Установлено, что «частичное уплотнение» 53, образованное между боковым торцом диффузионного листа 48 и торцом прокладки 41, в том месте, где не образована камера, способствует предотвращению значительных утечек текучей среды вокруг листа диффузионного материала из входной камеры 49 непосредственно в выходную камеру 50. Предпочтительно «частичное уплотнение» достигается за счет осуществления точной посадки или посадки с натягом между торцом диффузионного листа 48 и соответствующим торцом прокладки 41. Образованию такого частичного уплотнения может способствовать некоторое сжатие диффузионного материала во время сборки батареи.
Конфигурация диффузионного листа 48 и уплотнительной прокладки 41, показанные на фиг.4 и 5, представляют собой лишь одну из альтернатив. На фиг.6 представлены другие различные возможные конструктивные выполнения, которые обеспечивают достижение такой же цели, причем на чертежах показаны вид в перспективе в покомпонентном представлении (на левой стороне чертежей) и вид в плане (правая сторона чертежей).
На фиг.6а в целях сопоставления представлена конструкция, соответствующая фиг.4. Фиг.6b иллюстрирует подобную конфигурацию входной камеры 61 и выходной камеры 62, но в данном случае образование камер 61, 62 обеспечивается за счет особенностей формы уплотнительной прокладки 41, а не за счет формы диффузионного листа 48. Это позволяет использовать прямоугольные или квадратные листы 48 диффузионного материала вместо листов 48 диффузионного материала, имеющих неправильную форму.
На фиг.6с показано симметричное расположение входной камеры 63 и выходной камеры 64, опять же полученное за счет формы уплотнительной прокладки 41, а не диффузионного листа 48, так, что в этом случае могут быть использованы прямоугольные или квадратные листы. При такой конфигурации входная камера 63 и выходная камера 64 сбалансированы, имея по существу одинаковую длину и при одинаковых картинах потоков текучей среды, протекающих в плоскости листа через диффузионный материал, причем, главным образом, от одного его конца к другому.
Фиг.6е иллюстрирует конструктивное выполнение, при котором отдельная выходная камера не требуется. Имеется только одна окружная или периферийная камера 67, которая полностью окружает диффузный лист 48. Продувка камеры 67 по-прежнему может быть проведена с использованием выходного отверстия 45. При этом продувка диффузионного листа 48 и электрода 40 будет возможна, но лишь в меньшей степени, в расчете на диффузию изнутри в камеру 67, а не на вынужденную диффузию за счет наличия существенного перепада давления поперек диффузионного листа. Данное конструктивное выполнение имеет конкретное применение в том случае, когда продувка анода, как правило, не требуется.
Таким образом, вообще говоря, следует понимать, что лист пористого диффузионного материала может иметь неправильную (непрямоугольную) форму, включающую вырезы по его периметру, чтобы тем самым сформировать по меньшей мере одну камеру. В качестве альтернативы лист пористого диффузионного материала может иметь прямоугольный периметр, а уплотнительная прокладка неправильную (непрямоугольную) форму, включающую вырезы по ее внутреннему периметру с образованием за счет них, по меньшей мере, одной камеры.
Фиг.7 иллюстрирует конструктивное выполнение, при котором находящиеся в одной плоскости топливные элементы образованы с использованием одной единственной, общей анодной пластины (не показана) и единственного общего электрода 70. В такой конструкции уплотнительная прокладка 71 выполнена с образованием трех отдельных замкнутых объемов 72-74 для заполнения текучей средой, каждый из которых имеет свой собственный лист 75-77 диффузионного материала. Такое выполнение диффузионного листа и уплотнительной прокладки, используемое для образования камер, может иметь варианты исполнения, например может быть таким, как описано выше со ссылкой на фиг.6.
В соответствии с данным конструктивным выполнением каждая анодная половина в батарее топливных элементов разделена на отдельные зоны подачи текучей среды и продувки, что может способствовать большей степени равномерности потоков газа поперек большой поверхности анодов. В частности, за счет ограничения таким путем поверхности диффузионных листов 75-77 сводятся к минимуму эффекты, накладывающие какие-либо ограничения на величину диффузионного потока текучей среды поперек наружной поверхности электрода между входной и выходной камерами.
Фиг.8 иллюстрирует конструкцию, в которой камера 80 может быть образована не только между боковым торцом 81 диффузионного листа 48, но, кроме того, и с помощью прорези 82, проходящей через тело диффузионного листа в его центральную зону. Кроме того, фиг.8 показывает, что могут быть использованы два или большее количество входных отверстий 83, 84 и/или два или большее количество выходных отверстий 85, 86.
В предпочтительных примерах осуществления МЭС 40 изготавливают в виде тонкого слоя полимера, размещенного между слоями электродов с образованием, соответственно, наружной поверхности анода и наружной поверхности катода. Наружные поверхности МЭС предпочтительно включают центральную «активную» зону, окруженную периферийной зоной (или "рамкой"), которая усилена для того, чтобы обеспечить в ней формирование входных и выходных отверстий (например, отверстий 44, 45 на фиг.4) и других коллекторов с уменьшенной опасностью повреждения конструктивной целостности МЭС. При такой усиленной периферийной области МЭС может выдерживать различные напряжения и усилия много более эффективно по сравнению с тонкой активной зоной электрода.
В тех случаях, когда используют усиленную МЭС, предпочтительно, чтобы периферийные камеры (например, камеры 49, 50 и 61-67 на фиг.6а-6е) располагались поверх усиленной периферийной поверхности МЭС, что помогает избежать какой-либо опасности нарушения структурной целостности в МЭС вследствие недостатка опоры для центральной активной области МЭС в том случае, когда топливный элемент подвергают сжатию в процессе сборки батареи топливных элементов. На структуру усиленных периферийных областей МЭС не влияет содержание воды в такой же степени, как и для активных зон мембрано-электронной сборки. Активная зона МЭС, если она мокрая, может вспучиваться и частично блокировать камеры или же формируются ослабленные места конструкции, если она осушена посредством подачи водорода.
Все описанные выше конструкции представлены со ссылками на анодную сторону топливного элемента (т.е. на анодную половину топливного элемента). Однако понятно, что соответствующая катодная половина может использовать конструкцию половины топливного элемента, подобную описанной со ссылками на фиг.4-6, или может использовать другую конструкцию половины топливного элемента из известных типов конструкции, например, используя пластины для распределения потока текучей среды, в которых выполнены каналы для распределения потока текучей среды.
В предпочтительном варианте осуществления катодная половина топливного элемента включает известное выполнение типа "открытый катод", в соответствии с которым катод открыт и сообщается с окружающей атмосферой как для снабжения кислородом и вывода побочных продуктов реакции, так и для охлаждения топливного элемента. Предпочтительно катод подвергают вынужденной продувке, например, с помощью вентилятора с целью подвода кислорода и охлаждающего воздуха и для вытеснения побочного продукта в виде водяных паров.
Исключение каналов или пазов 16 из конструкции анодной пластины 40 дает возможность существенным образом уменьшить толщину анодной пластины по сравнению с пластиной 14 для потока текучей среды, представленной на фиг.1. В одной из конструкций толщина каждой анодной пластины уменьшена от 0,85 мм почти до 0,25 мм с последующим существенным повышением удельной электрической мощности батареи топливных элементов. Уменьшение толщины каждой из анодных пластин в батарее позволяет существенно уменьшить как вес, так и объем батареи топливных элементов.
Кроме того, было обнаружено, что отсутствие каналов 16 в анодной пластине 14 уменьшает размер зоны пластины, в которой отсутствует непосредственный электрический контакт между пластиной 14 и электродом 12. Другими словами, в этом случае между анодной пластиной и диффузионным материалом существует почти 100%-ный контакт. В электродах, используемых в аналогах, какие-либо нарушения непрерывности электрического контакта между анодной пластиной и электродом приводят к локальному повышению плотности электрического тока, проходящего между каналами.
Настоящее изобретение обеспечивает устранение зон отсутствия контакта, занятых каналами 16, и, соответственно, уменьшение омических потерь в результате пониженных плотностей тока главным образом в направлении поперек зоны расположения электрода.
Исключение необходимости формирования каналов 16 в анодной пластине 14, кроме того, упрощает процесс изготовления топливного элемента. Как было установлено, намного легче вырезать профиль уплотнительной прокладки 41 и/или диффузионного листа 48, чем сформировать каналы 16 в анодной пластине 14 посредством травления или штампования.
В предпочтительных конструкциях топливный элемент представляет собой водородный топливный элемент, в котором анодным текучим топливом является газообразный водород, катодной текучей средой служит воздух, а побочным отводимым продуктом является водяной пар или воздух, обедненный кислородом. Подводимая текучая среда может также включать в себя другие газы (предназначенные, например, для балласта, продувки или гидратации мембраны). Применение анодной пластины 40 без каналов, для которой предусмотрено распределение газа посредством камер 49, 50 и диффузии в диффузионном материале, осуществляемой в плоскости его расположения, как было обнаружено, является наиболее эффективным решением для транспортировки газообразного водорода к месту расположения катализатора в электроде. Здесь используются высокая величина коэффициента диффузии водорода и низкое перенапряжение реакции окисления водорода в местах размещения катализатора.
Для обеспечения эффективного подвода текучего топлива ко всей активной поверхности анода выгодно иметь относительно высокий коэффициент диффузии анодного газа через диффузионный лист 48 по сравнению с относительно низкой величиной коэффициента диффузии газа внутри анода 40 (и защитного слоя 12а на нем).
Конструкция анода лучше всего работает, когда между входным отверстием 44 и выходным отверстием 45 поддерживается значительный перепад давления с тем, чтобы происходил процесс вынужденной диффузии. Кроме того, как показано, это уменьшает время продувки.
Предпочтительно диффузионный материал имеет аксиально зависимую проницаемость. Другими словами, интенсивность транспортирования газа в одном направлении, лежащем в плоскости, может отличаться от интенсивности транспортирования газа в другом направлении, также лежащем в этой плоскости. В этом случае диффузионный лист может быть благоприятным образом ориентирован таким образом, что реализуются наибольшая эффективность и равномерность транспортирования газа между камерами или от входной камеры к центральной зоне диффузионного листа. Диффузионные материалы могут иметь такую ориентацию волокон (например, тканой основы), которая обеспечивает указанную аксиальную зависимость, при этом волокна предпочтительно могут быть ориентированы в направлении "поперек топливного элемента", чтобы способствовать транспортировке водорода к центру половины топливного элемента. Дополнительно равномерность транспортировки газа, подводимого к электроду, может быть улучшена, когда величина коэффициента диффузии в диффузионном материале в направлении его плоскости превышает величину коэффициента диффузии в направлении поперек плоскости.
Чтобы обеспечить оптимальную величину коэффициента диффузии в направлении поперек плоскости, не должно происходить значительного разрушения или сжатия материала во время сборки топливного элемента, т.е. когда все пластины сжимают вместе с образованием батареи топливных элементов. Предпочтительно с этой целью материал уплотнительной прокладки 41 выбирают таким, что он был более жестким (менее сжимаемым), чем материал диффузионного листа 48.
Подходящими материалами для использования в качестве диффузионного листа 48 являются марки бумаги TGP-H, изготавливаемой из углеродистого волокна (изготовитель - фирма Toray), через которую могут диффундировать газы.
В предпочтительных примерах осуществления уплотнительная прокладка 41 имеет толщину, составляющую от 100 до 400 мкм, а диффузионный лист 48 имеет толщину в пределах от 150 до 500 мкм. В одном из предпочтительных примеров осуществления уплотнительная прокладка 41 имеет толщину 225 мкм, а диффузионный лист 48 толщину 300 мкм.
Распределение анодного газа с помощью описанных выше периферийных камер и диффузионного материала, кроме того, может обеспечить преимущества в части регулирования количества воды, находящейся на электроде. Накопление воды вызывает обводнение электрода. В известных конструкциях пластин для распределения потока текучей среды, выполненных с каналами на пластине, во время обводнения вода образует лужи на краях активной области электрода, где она охлаждается. На краях активной зоны генерируется незначительный ток или он вообще не генерируется, поэтому теплота не выделяется, и вода остается в стационарном состоянии до тех пор, пока не осуществляют продувку.
В отличие от известных конструкций, в соответствии с настоящим изобретением вода образует лужи в направлении центральной области зоны активной зоны. Это поддерживает гидратацию МЭС, но, помимо того, в обводненных зонах производит эффект уменьшения электрического тока. В примыкающих активных зонах, где вода не скапливается, реализуются высокие величины токов, происходит более быстрое истощение водорода и, следовательно, образуется зона пониженного давления. Водород и вода предпочтительно перемещаются в эту зону пониженного давления под действием градиента давления, тем самым уменьшая локализованное обводнение.
В пределах приложенных пунктов формулы изобретения возможны другие примеры воплощения изобретения.
Claims (19)
1. Топливный элемент, содержащий мембрано-электродную сборку, имеющую наружную анодную электродную поверхность, анодную пластину, примыкающую к указанной наружной анодной электродной поверхности мембрано-электродной сборки и присоединенную к ней с помощью уплотнительной прокладки; при этом уплотнительная прокладка, наружная поверхность электрода и анодная пластина вместе образуют замкнутый объем для заполнения текучей средой, предназначенный для подвода анодной текучей среды к наружной поверхности электрода; и, кроме того, топливный элемент содержит лист пористого диффузионного материала, расположенный в указанном объеме для заполнения текучей средой и имеющий, по меньшей мере, одну камеру, образованную между, по меньшей мере, одним боковым торцом листа диффузионного материала и уплотнительной прокладкой.
2. Топливный элемент по п.1, в котором камера образована между всем одним боковым торцом листа диффузионного материала и уплотнительной прокладкой.
3. Топливный элемент по п.2, в котором камера образована между более чем одним боковым торцом листа диффузионного материала и уплотнительной прокладкой.
4. Топливный элемент по любому одному из пп.1-3, в котором камера дополнительно содержит прорезь, проходящую в тело листа диффузионного материала.
5. Топливный элемент по п.1, в котором камера представляет собой периферийную камеру, которая проходит вокруг всех боковых торцов листа диффузионного материала.
6. Топливный элемент по п.1, в котором камера представляет собой первую камеру, сообщающуюся с первым входным отверстием, расположенным на периферийном краю топливного элемента; и
кроме того, топливный элемент содержит вторую камеру, образованную между, по меньшей мере, одним боковым торцом листа диффузионного материала и уплотнительной прокладкой, при этом вторая камера сообщается с выходным отверстием, расположенным на периферийном краю топливного элемента,
причем вторая камера отделена от первой камеры диффузионным материалом.
кроме того, топливный элемент содержит вторую камеру, образованную между, по меньшей мере, одним боковым торцом листа диффузионного материала и уплотнительной прокладкой, при этом вторая камера сообщается с выходным отверстием, расположенным на периферийном краю топливного элемента,
причем вторая камера отделена от первой камеры диффузионным материалом.
7. Топливный элемент по п.1, в котором анодная пластина имеет по существу гладкую поверхность, обращенную к наружной поверхности электрода.
8. Топливный элемент по п.1, в котором анодная пластина не содержит каналов для раздачи текучей среды, сформированных на ее поверхности, обращенной к наружной поверхности электрода.
9. Топливный элемент по п.1, в котором лист диффузионного материала включает основу из углеродных волокон.
10. Топливный элемент по п.1, в котором лист диффузионного материала имеет аксиально-зависимую проницаемость.
11. Топливный элемент по п.10, в котором диффузионный материал ориентирован так, чтобы направление наибольшей проницаемости способствовало максимальному транспортированию газа от камеры к центру диффузионного листа.
12. Топливный элемент по п.10, зависящему от п.6, в котором диффузионный материал ориентирован так, чтобы направление наибольшей проницаемости способствовало максимальному транспортированию газа от первой камеры ко второй камере.
13. Топливный элемент по п.1, выполненный в единой батарее, состоящей из множества топливных элементов, расположенных в одной плоскости, имеющих общую анодную пластину, но образующих множество независимых объемов для заполнения текучей средой, лежащих в одной плоскости, в каждом из которых размещен соответствующий лист диффузионного материала.
14. Топливный элемент по п.1, в котором лист пористого диффузионного материала имеет неправильную форму и выполнен с вырезами на внешней границе с образованием за счет такого выполнения, по меньшей мере, одной камеры.
15. Топливный элемент по п.1, в котором лист пористого диффузионного материала имеет прямоугольную форму, а уплотнительная прокладка имеет неправильную форму и имеет вырезы на ее внешней границе с образованием тем самым, по меньшей мере, одной камеры.
16. Топливный элемент по п.1, содержащий катодную пластину, примыкающую к наружной поверхности электрода катода мембрано-электродной сборки.
17. Топливный элемент по п.16, в котором катод выполнен по типу открытого катода.
18. Батарея топливных элементов, включающая в себя топливный элемент по п.16 или 17.
19. Топливный элемент, содержащий мембрано-электродную сборку, имеющую наружную поверхность электрода катода, катодную пластину, примыкающую к указанной наружной поверхности электрода мембрано-электродной сборки и присоединенную к ней с помощью уплотнительной прокладки;
при этом уплотнительная прокладка, наружная поверхностью электрода и катодная пластина вместе образуют объем для заполнения текучей средой, предназначенный для подвода катодной текучей среды к наружной поверхности электрода и/или отвода катодной текучей среды от наружной поверхности катода; и,
кроме того, топливный элемент содержит лист пористого диффузионного материала, расположенный в объеме для заполнения текучей средой и имеющий, по меньшей мере, одну камеру, образованную между, по меньшей мере, одним боковым торцом листа диффузионного материала и уплотнительной прокладкой.
при этом уплотнительная прокладка, наружная поверхностью электрода и катодная пластина вместе образуют объем для заполнения текучей средой, предназначенный для подвода катодной текучей среды к наружной поверхности электрода и/или отвода катодной текучей среды от наружной поверхности катода; и,
кроме того, топливный элемент содержит лист пористого диффузионного материала, расположенный в объеме для заполнения текучей средой и имеющий, по меньшей мере, одну камеру, образованную между, по меньшей мере, одним боковым торцом листа диффузионного материала и уплотнительной прокладкой.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
GB0407979A GB2413002B (en) | 2004-04-08 | 2004-04-08 | Fuel cell gas distribution |
GB0407979.4 | 2004-04-08 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2006139130A RU2006139130A (ru) | 2008-05-20 |
RU2351041C2 true RU2351041C2 (ru) | 2009-03-27 |
Family
ID=32320561
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006139130/09A RU2351041C2 (ru) | 2004-04-08 | 2005-04-07 | Распределение газа в топливных элементах |
Country Status (18)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US8323846B2 (ru) |
EP (1) | EP1751813B1 (ru) |
JP (2) | JP5142708B2 (ru) |
KR (1) | KR101176421B1 (ru) |
CN (1) | CN100524921C (ru) |
AR (1) | AR048538A1 (ru) |
AT (1) | ATE396508T1 (ru) |
BR (1) | BRPI0509680B1 (ru) |
CA (1) | CA2562493C (ru) |
DE (1) | DE602005007016D1 (ru) |
ES (1) | ES2309740T3 (ru) |
GB (1) | GB2413002B (ru) |
MX (1) | MXPA06011687A (ru) |
NO (1) | NO20064500L (ru) |
RU (1) | RU2351041C2 (ru) |
TW (1) | TWI362780B (ru) |
WO (1) | WO2005099008A2 (ru) |
ZA (1) | ZA200608303B (ru) |
Families Citing this family (21)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2382455B (en) * | 2001-11-07 | 2004-10-13 | Intelligent Energy Ltd | Fuel cell fluid flow field plates |
GB2412784B (en) * | 2002-01-18 | 2006-08-23 | Intelligent Energy Ltd | Fuel cell oxygen removal and pre-conditioning system |
GB2390738B (en) * | 2002-07-09 | 2005-05-11 | Intelligent Energy Ltd | Fuel cell direct water injection |
GB2401986B (en) * | 2003-05-17 | 2005-11-09 | Intelligent Energy Ltd | Improvements in fuel utilisation in electrochemical fuel cells |
GB2409763B (en) | 2003-12-31 | 2007-01-17 | Intelligent Energy Ltd | Water management in fuel cells |
GB2413002B (en) | 2004-04-08 | 2006-12-06 | Intelligent Energy Ltd | Fuel cell gas distribution |
GB2422716B (en) * | 2005-01-26 | 2007-08-22 | Intelligent Energy Ltd | Multi-layer fuel cell diffuser |
KR101382512B1 (ko) | 2006-01-09 | 2014-04-08 | 소시에떼 비아이씨 | 휴대용 연료전지장치 및 그 제조방법 |
GB2434845B (en) * | 2006-02-01 | 2010-10-13 | Intelligent Energy Ltd | Variable compressibility gaskets |
GB2437994A (en) * | 2006-05-13 | 2007-11-14 | Intelligent Energy Ltd | Gaskets for fuel cells |
WO2011142745A1 (en) * | 2010-05-11 | 2011-11-17 | Utc Power Corporation | Modification to stampable flowfields to improve flow distribution in the channels of pem fuel cells |
JP5708923B2 (ja) | 2011-04-20 | 2015-04-30 | 日本特殊陶業株式会社 | 燃料電池セル及び燃料電池 |
ES2654208T3 (es) | 2011-12-21 | 2018-02-12 | Ingeteam Power Technology, S.A. | Celda electroquímica y reactor que comprende la misma |
JP5928403B2 (ja) * | 2013-04-24 | 2016-06-01 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池のセル構造 |
US10998562B2 (en) | 2016-04-14 | 2021-05-04 | Intelligent Energy Limited | PEM fuel cell power systems with efficient hydrogen generation |
CN108063268B (zh) * | 2016-11-05 | 2020-07-03 | 顾士平 | 光催化效应电池 |
WO2019050959A1 (en) | 2017-09-05 | 2019-03-14 | Intelligent Energy Inc. | COMPACT AND EFFICIENT HYDROGEN REACTOR |
KR102240687B1 (ko) * | 2020-01-10 | 2021-04-14 | 서울대학교산학협력단 | 공기 호흡형 고분자 전해질막 연료전지 스택 |
GB2617714A (en) * | 2021-01-11 | 2023-10-18 | Intelligent Energy Ltd | Gas diffusion method for use with fuel cell stack |
GB2603112B (en) * | 2021-01-11 | 2023-07-26 | Intelligent Energy Ltd | Gas diffusion method for use with fuel cell stack |
CA3203624A1 (en) * | 2021-01-11 | 2022-07-14 | Intelligent Energy Limited | Gas diffusion method for use with fuel cell stack |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2182387C2 (ru) * | 1997-05-20 | 2002-05-10 | Институт Оф Газ Текнолоджи | Биполярная сепараторная пластина топливной ячейки с протонной обменной мембраной |
Family Cites Families (42)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH01197972A (ja) | 1988-02-01 | 1989-08-09 | Agency Of Ind Science & Technol | 平板型固体電解質型燃料電池 |
US5252410A (en) * | 1991-09-13 | 1993-10-12 | Ballard Power Systems Inc. | Lightweight fuel cell membrane electrode assembly with integral reactant flow passages |
IT1270878B (it) * | 1993-04-30 | 1997-05-13 | Permelec Spa Nora | Migliorata cella elettrochimica utilizzante membrane a scambio ionico e piatti bipolari metallici |
JP3219600B2 (ja) | 1994-07-21 | 2001-10-15 | 日立造船株式会社 | 固体電解質型燃料電池 |
US5863671A (en) | 1994-10-12 | 1999-01-26 | H Power Corporation | Plastic platelet fuel cells employing integrated fluid management |
RU2174728C2 (ru) | 1994-10-12 | 2001-10-10 | Х Пауэр Корпорейшн | Топливный элемент, использующий интегральную технологию пластин для распределения жидкости |
JPH10106604A (ja) | 1996-09-30 | 1998-04-24 | Sanyo Electric Co Ltd | 燃料電池 |
US5952119A (en) | 1997-02-24 | 1999-09-14 | Regents Of The University Of California | Fuel cell membrane humidification |
JP3559693B2 (ja) * | 1997-10-28 | 2004-09-02 | 株式会社東芝 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
US5945232A (en) * | 1998-04-03 | 1999-08-31 | Plug Power, L.L.C. | PEM-type fuel cell assembly having multiple parallel fuel cell sub-stacks employing shared fluid plate assemblies and shared membrane electrode assemblies |
US6117577A (en) | 1998-08-18 | 2000-09-12 | Regents Of The University Of California | Ambient pressure fuel cell system |
JP2000123850A (ja) | 1998-10-15 | 2000-04-28 | Fuji Electric Co Ltd | 固体高分子電解質型燃料電池 |
EP1231657A4 (en) | 1999-11-08 | 2007-04-18 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Polymer Electrolyte FUEL CELLS |
IT1314256B1 (it) * | 1999-12-03 | 2002-12-06 | Nora Fuel Cells S P A De | Batteria di celle a combustibile a membrana polimerica. |
US6770394B2 (en) * | 2000-02-11 | 2004-08-03 | The Texas A&M University System | Fuel cell with monolithic flow field-bipolar plate assembly and method for making and cooling a fuel cell stack |
JP3859435B2 (ja) | 2000-07-27 | 2006-12-20 | 伯東株式会社 | エチレン製造装置の汚れ防止方法 |
US6667127B2 (en) * | 2000-09-15 | 2003-12-23 | Ballard Power Systems Inc. | Fluid diffusion layers for fuel cells |
JP2002216780A (ja) | 2001-01-19 | 2002-08-02 | Sony Corp | 電極部材及び電極部材を用いた電池並びに電極部材の製造方法 |
US6500319B2 (en) * | 2001-04-05 | 2002-12-31 | Giner Electrochemical Systems, Llc | Proton exchange membrane (PEM) electrochemical cell having an integral, electrically-conductive, compression pad |
EP1396039A2 (de) * | 2001-06-13 | 2004-03-10 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Brennstoffzelle und verfahren zur herstellung einer solchen brennstoffzelle |
US6727014B1 (en) * | 2001-08-13 | 2004-04-27 | H Power Corporation | Fuel cell reactant and cooling flow fields integrated into a single separator plate |
GB2382455B (en) * | 2001-11-07 | 2004-10-13 | Intelligent Energy Ltd | Fuel cell fluid flow field plates |
US6733915B2 (en) | 2001-12-27 | 2004-05-11 | E. I. Du Pont De Nemours And Company | Gas diffusion backing for fuel cells |
JP2003217615A (ja) | 2002-01-17 | 2003-07-31 | Toyota Motor Corp | 燃料電池のセパレータ |
GB2412784B (en) * | 2002-01-18 | 2006-08-23 | Intelligent Energy Ltd | Fuel cell oxygen removal and pre-conditioning system |
GB2387959B (en) * | 2002-03-28 | 2005-02-09 | Intelligent Energy Ltd | Fuel cell compression assembly |
DE60309017T2 (de) | 2002-05-09 | 2007-05-16 | Honda Giken Kogyo K.K. | Brennstoffzellenanordnung und zugehöriger separator |
KR20050010779A (ko) | 2002-05-09 | 2005-01-28 | 더 보드 오브 트러스티스 오브 더 리랜드 스탠포드 주니어 유니버시티 | 개선된 연료전지 |
US6858341B2 (en) | 2002-05-21 | 2005-02-22 | Idatech, Llc | Bipolar plate assembly, fuel cell stacks and fuel cell systems incorporating the same |
GB2390738B (en) * | 2002-07-09 | 2005-05-11 | Intelligent Energy Ltd | Fuel cell direct water injection |
JP2004047214A (ja) | 2002-07-10 | 2004-02-12 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池 |
SE523665C2 (sv) * | 2002-09-20 | 2004-05-11 | Volvo Technology Corp | Bränslecell och bränslecellsstack |
GB2396688B (en) * | 2002-11-22 | 2006-06-28 | Intelligent Energy Ltd | Thermal energy management in electrochemical fuel cells |
TW581327U (en) | 2002-12-04 | 2004-03-21 | Asia Pacific Fuel Cell Tech | Integrated dual electrode plate module of fuel cell set |
WO2004054011A2 (en) * | 2002-12-06 | 2004-06-24 | Hydrogenics Corporation | Gas diffusion layer for an electrochemical cell |
JP4887597B2 (ja) * | 2003-07-11 | 2012-02-29 | 三菱マテリアル株式会社 | 固体高分子型燃料電池、ガス拡散層用部材およびその製造方法 |
GB2401986B (en) * | 2003-05-17 | 2005-11-09 | Intelligent Energy Ltd | Improvements in fuel utilisation in electrochemical fuel cells |
GB2409763B (en) * | 2003-12-31 | 2007-01-17 | Intelligent Energy Ltd | Water management in fuel cells |
GB2413002B (en) | 2004-04-08 | 2006-12-06 | Intelligent Energy Ltd | Fuel cell gas distribution |
GB2422716B (en) * | 2005-01-26 | 2007-08-22 | Intelligent Energy Ltd | Multi-layer fuel cell diffuser |
GB2422717B (en) * | 2005-02-01 | 2007-11-14 | Intelligent Energy Ltd | Detachable fuel cell power unit for vehicle applications |
GB2434845B (en) * | 2006-02-01 | 2010-10-13 | Intelligent Energy Ltd | Variable compressibility gaskets |
-
2004
- 2004-04-08 GB GB0407979A patent/GB2413002B/en not_active Expired - Fee Related
-
2005
- 2005-04-06 TW TW094110855A patent/TWI362780B/zh not_active IP Right Cessation
- 2005-04-07 WO PCT/GB2005/001346 patent/WO2005099008A2/en active IP Right Grant
- 2005-04-07 ES ES05732860T patent/ES2309740T3/es active Active
- 2005-04-07 CN CNB2005800188096A patent/CN100524921C/zh active Active
- 2005-04-07 EP EP05732860A patent/EP1751813B1/en active Active
- 2005-04-07 JP JP2007506838A patent/JP5142708B2/ja active Active
- 2005-04-07 DE DE602005007016T patent/DE602005007016D1/de active Active
- 2005-04-07 US US11/547,885 patent/US8323846B2/en active Active
- 2005-04-07 RU RU2006139130/09A patent/RU2351041C2/ru not_active IP Right Cessation
- 2005-04-07 AT AT05732860T patent/ATE396508T1/de not_active IP Right Cessation
- 2005-04-07 KR KR1020067023428A patent/KR101176421B1/ko active IP Right Grant
- 2005-04-07 BR BRPI0509680A patent/BRPI0509680B1/pt not_active IP Right Cessation
- 2005-04-07 CA CA2562493A patent/CA2562493C/en active Active
- 2005-04-07 MX MXPA06011687A patent/MXPA06011687A/es active IP Right Grant
- 2005-04-08 AR ARP050101398A patent/AR048538A1/es active IP Right Grant
-
2006
- 2006-10-04 NO NO20064500A patent/NO20064500L/no not_active Application Discontinuation
- 2006-10-05 ZA ZA200608303A patent/ZA200608303B/en unknown
-
2012
- 2012-09-14 JP JP2012202992A patent/JP5460798B2/ja active Active
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2182387C2 (ru) * | 1997-05-20 | 2002-05-10 | Институт Оф Газ Текнолоджи | Биполярная сепараторная пластина топливной ячейки с протонной обменной мембраной |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP1751813B1 (en) | 2008-05-21 |
TWI362780B (en) | 2012-04-21 |
ATE396508T1 (de) | 2008-06-15 |
CN100524921C (zh) | 2009-08-05 |
JP5142708B2 (ja) | 2013-02-13 |
GB2413002A (en) | 2005-10-12 |
JP2012248548A (ja) | 2012-12-13 |
US20070166596A1 (en) | 2007-07-19 |
DE602005007016D1 (de) | 2008-07-03 |
US8323846B2 (en) | 2012-12-04 |
RU2006139130A (ru) | 2008-05-20 |
WO2005099008A2 (en) | 2005-10-20 |
TW200603478A (en) | 2006-01-16 |
WO2005099008A3 (en) | 2006-06-15 |
KR20070011461A (ko) | 2007-01-24 |
AR048538A1 (es) | 2006-05-03 |
JP2007533071A (ja) | 2007-11-15 |
GB0407979D0 (en) | 2004-05-12 |
MXPA06011687A (es) | 2007-01-23 |
BRPI0509680A (pt) | 2007-10-30 |
CN1998102A (zh) | 2007-07-11 |
EP1751813A2 (en) | 2007-02-14 |
JP5460798B2 (ja) | 2014-04-02 |
KR101176421B1 (ko) | 2012-08-30 |
NO20064500L (no) | 2006-11-08 |
BRPI0509680B1 (pt) | 2015-12-29 |
ES2309740T3 (es) | 2008-12-16 |
GB2413002B (en) | 2006-12-06 |
CA2562493A1 (en) | 2005-10-20 |
ZA200608303B (en) | 2008-07-30 |
CA2562493C (en) | 2012-07-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2351041C2 (ru) | Распределение газа в топливных элементах | |
US6756149B2 (en) | Electrochemical fuel cell with non-uniform fluid flow design | |
CA2374790C (en) | Dual seal fuel cell and fuel cell stack | |
US5922485A (en) | Solid polymer electrolyte fuel cell | |
RU2419921C2 (ru) | Пластины для распределения потоков текучей среды в топливных элементах | |
US8318380B2 (en) | Fuel cell and vehicle having fuel cell | |
US20030039876A1 (en) | Electrochemical fuel cell with fluid distribution layer having non-uniform perforations | |
JP2004119121A (ja) | 燃料電池 | |
CA2594530C (en) | Fuel cell separator | |
RU2316082C2 (ru) | Сборка топливного элемента | |
KR101420682B1 (ko) | 바이폴라 플레이트 및 그를 구비한 연료전지 스택 | |
US20100009238A1 (en) | Fuel cell and separator constituting the same | |
US20110008703A1 (en) | Fuel cell with dead-end anode | |
US20050008921A1 (en) | Fluid flow plate for fuel cell | |
JP2005267868A (ja) | 燃料電池 | |
US20230223563A1 (en) | Power generation cell | |
WO2022148886A1 (en) | Gas diffusion method for use with fuel cell stack | |
JP2004241273A (ja) | 燃料電池およびその運転方法 | |
JP2006128040A (ja) | 燃料電池 | |
JP2008218201A (ja) | 燃料電池 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160408 |