RU2740133C1 - Ячейка топливного элемента - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к ячейке топливного элемента. Согласно изобретению ячейка топливного элемента содержит связующий слой; между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя расположен связующий слой, соединяющий первый сепаратор с внешним периферийным краевым участком; между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки расположен связующий слой, соединенный с внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки; и между первым сепаратором и несущим каркасом и/или между вторым сепаратором и несущим каркасом расположен связующий слой, соединяющий несущий каркас и сепаратор. Техническим результатом является повышение механической прочности. 11 з.п. ф-лы, 11 ил.

Description

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Область техники

[0001] Настоящее изобретение относится к ячейке топливного элемента.

2. Раскрытие предшествующего уровня техники

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

[0003] Среди известных ячеек топливных элементов, которые являются составляющими элементами таких топливных элементов, имеются такие, конфигурация которых предусматривает наличие газодиффузионного слоя и сепаратора на каждой поверхности мембранно–электродной сборки, содержащей электролитную мембрану и слои электродного катализатора, расположенные соответственно на обеих поверхностях электролитной мембраны.

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

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

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

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

[0007] Эта проблема детально раскрыта ниже.

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

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

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

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

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

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

[0014] Таким образом, необходимо дополнительно повысить прочность ячеек топливных элементов.

[0015] Задачей настоящего изобретения является разработка ячейки топливного элемента, обладающей высокой механической прочностью.

[0016] Авторами настоящего изобретения предложены следующие решения, позволяющие решить поставленную задачу:

Первый аспект

Ячейка топливного элемента, содержащая:

(I) блок электродов, содержащий

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

(b) первый газодиффузионный слой, уложенный на первую поверхность мембранно-электродной сборки, за исключением внешнего периферийного краевого участка мембранно-электродной сборки, и

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

(II) несущий каркас, размещенный таким образом, чтобы он окружал первый газодиффузионный слой;

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

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

причем в первой части ячейки топливного элемента:

ячейка топливного элемента содержит связующий слой;

между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя расположен связующий слой, соединяющий первый сепаратор и внешний периферийный краевой участок;

между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки расположен связующий слой, соединенный с внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки; и

между первым сепаратором и несущим каркасом и/или вторым сепаратором и несущим каркасом расположен связующий слой, соединяющий несущий каркас и сепаратор.

Второй аспект

В ячейке топливного элемента, согласно первому аспекту, связующий слой может быть частично сплавлен с внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя в первой части.

Третий аспект

В ячейке топливного элемента, согласно первому или второму аспекту, толщина связующего слоя между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки в первой части может составлять не менее 50% расстояния между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки.

Четвертый аспект

В ячейке топливного элемента, согласно любому с первого по третий аспекты, между первым сепаратором и внешним периферийным кромочным участком мембранно-электродной сборки в первой части может быть предусмотрен связующий слой, соединяющий первый сепаратор с внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки.

Пятый аспект

В ячейке топливного элемента, согласно любому с первого по четвертый аспекты, между первым сепаратором и несущим каркасом в первой части может быть предусмотрен связующий слой, соединяющий первый сепаратор с несущим каркасом.

Шестой аспект

В ячейке топливного элемента согласно пятому аспекту, во второй части ячейки топливного элемента:

первый сепаратор может содержать канал для газа-реагента;

закрывающая пластина может проходить от области между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя до области между первым сепаратором и несущим каркасом через область между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки;

между закрывающей пластиной и внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя может быть предусмотрен связующий слой, соединяющий закрывающую пластину с внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя;

между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки может быть предусмотрен связующий слой, соединенный с внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки;

между закрывающей пластиной и несущим каркасом может быть предусмотрен связующий слой, соединяющий закрывающую пластину с несущим каркасом; и

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

Седьмой аспект

В ячейке топливного элемента, согласно шестому аспекту, между первым сепаратором и несущим каркасом во второй части может быть предусмотрен связующий слой, соединяющий первый сепаратор с несущим каркасом.

Восьмой аспект

В ячейке топливного элемента согласно шестому или седьмому аспекту, в третьей части ячейки топливного элемента:

ячейка топливного элемента между первым сепаратором и несущим каркасом может иметь соединительный канал, проходящий через несущий каркас таким образом, чтобы обеспечить связь между внешней частью ячейки топливного элемента и каналом для газа - реагента;

закрывающая пластина может проходить от области между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя до области между первым сепаратором и несущим каркасом через область между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки;

между закрывающей пластиной и внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя может быть предусмотрен связующий слой, соединяющий закрывающую пластину с внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя;

между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки может быть предусмотрен связующий слой, соединенный с внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки;

между закрывающей пластиной и несущим каркасом может быть предусмотрен связующий слой, соединяющий закрывающую пластину с несущим каркасом; и

связующий слой тем самым может быть отделен от соединительного канала.

Девятый аспект

В ячейке топливного элемента, согласно любому с первого по четвертый аспекты, между вторым сепаратором и несущим каркасом в первой части может быть предусмотрен связующий слой, соединяющий второй сепаратор с несущим каркасом.

Десятый аспект

В ячейке топливного элемента согласно девятому аспекту, во второй части ячейки топливного элемента:

второй сепаратор может содержать канал для газа-реагента;

закрывающая пластина может проходить от области между вторым сепаратором и вторым газодиффузионным слоем до области между вторым сепаратором и несущим каркасом;

между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя может быть предусмотрен связующий слой, соединяющий первый сепаратор с внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя;

между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки может быть предусмотрен связующий слой, соединенный с внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки;

между закрывающей пластиной и несущим каркасом может быть предусмотрен связующий слой, соединяющий закрывающую пластину с несущим каркасом; и

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

Одиннадцатый аспект

В ячейке топливного элемента, согласно десятому аспекту, между вторым сепаратором и несущим каркасом во второй части может быть предусмотрен связующий слой, соединяющий второй сепаратор с несущим каркасом.

Двенадцатый аспект

В ячейке топливного элемента согласно десятому или одиннадцатому аспектам, в третьей части ячейки топливного элемента:

между вторым сепаратором и несущим каркасом ячейки топливного элемента может быть расположен соединительный канал, проходящий через несущий каркас таким образом, чтобы обеспечить связь между областью снаружи от ячейки топливного элемента и каналом для газа-реагента;

закрывающая пластина может проходить от области между вторым сепаратором и вторым газодиффузионным слоем до области между вторым сепаратором и несущим каркасом;

между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя может быть предусмотрен связующий слой, соединяющий первый сепаратор с внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя;

между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки может быть предусмотрен связующий слой, соединенный с внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки;

между закрывающей пластиной и несущим каркасом может быть предусмотрен связующий слой, соединяющий закрывающую пластину с несущим каркасом; и

связующий слой тем самым может быть отделен от соединительного канала.

[0017] В соответствии с настоящим изобретением предложена ячейка топливного элемента, обладающая высокой механической прочностью.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0018] Отличительные признаки, преимущества, техническая и промышленная значимость примерных вариантов осуществления настоящего изобретения раскрыты ниже со ссылкой на сопроводительные чертежи, в которых одинаковые обозначения относятся к одинаковым элементам:

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

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

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

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

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

На ФИГ. 4 в разрезе изображена ячейка 100' топливного элемента, не являющаяся вариантом осуществления настоящего изобретения, причем разрез выполнен вдоль линии разреза, аналогичной линии разреза I-I' на ФИГ. 1;

На ФИГ. 5 схематично изображена ячейка 100e топливного элемента согласно пятому варианту осуществления настоящего изобретения, вид со стороны первого сепаратора 30;

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

На ФИГ. 7 в разрезе изображена ячейка 100f топливного элемента согласно шестому варианту осуществления настоящего изобретения, причем разрез выполнен вдоль линии разреза, аналогичной линии разреза II-II' на ФИГ. 5;

На ФИГ. 8 в разрезе изображена ячейка 100e топливного элемента согласно пятому варианту осуществления настоящего изобретения, причем разрез выполнен вдоль линии разреза, аналогичной линии разреза III-III' на ФИГ. 5; и

На ФИГ. 9 в разрезе изображена ячейка 100f топливного элемента согласно шестому варианту осуществления настоящего изобретения, причем разрез выполнен вдоль линии разреза, аналогичной линии разреза III-III' на ФИГ. 5.

ПОДРОБНОЕ РАСКРЫТИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0019] Варианты осуществления настоящего изобретения будут детально раскрыты ниже. Настоящее изобретение не ограничивается нижеследующими вариантами осуществления и может быть реализовано с различными изменениями, вносимыми в него в рамках сущности изобретения.

[0020] Ячейка топливного элемента согласно настоящему изобретению содержит:

(I) блок электродов, содержащий

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

(b) первый газодиффузионный слой, уложенный на первую поверхность мембранно-электродной сборки, за исключением внешнего периферийного краевого участка мембранно-электродной сборки, и

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

(II) несущий каркас, размещенный таким образом, чтобы окружать первый газодиффузионный слой;

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

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

[0021] В первой части ячейки топливного элемента согласно настоящему изобретению: ячейка топливного элемента содержит связующий слой; между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя расположен связующий слой, соединяющий первый сепаратор с упомянутым внешним периферийным краевым участком; между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки расположен связующий слой, соединенный с внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки; и между первым сепаратором и несущим каркасом и/или между вторым сепаратором и несущим каркасом расположен связующий слой, соединяющий эти части.

Первая часть

[0022] В первой части ячейки топливного элемента согласно настоящему изобретению: ячейка топливного элемента содержит связующий слой; между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя расположен связующий слой, соединяющий первый сепаратор с внешним периферийным краевым участком; между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки расположен связующий слой, соединенный с внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки; и между первым сепаратором и несущим каркасом и/или между вторым сепаратором и несущим каркасом расположен связующий слой, соединяющий эти части.

[0023] Принцип, положенный в основу высокой механической прочности ячейки топливного элемента согласно настоящему изобретению, заключается, в частности, в следующем:

[0024] Первая часть ячейки топливного элемента согласно настоящему изобретению имеет описанную выше конфигурацию, в которой несущий каркас, мембранно-электродная сборка, первый газодиффузионный слой и первый сепаратор соединены друг с другом одним связующим слоем.

[0025] Таким образом, соответствие между взаимным расположением несущего каркаса и мембранно-электродной сборки изменится с меньшей вероятностью, даже тогда, когда во время изготовления ячейки топливного элемента или батареи топливных элементов, получаемой путем установки нескольких ячеек топливных элементов друг на друга, на несущий каркас и мембранно-электродную сборку в направлении плоскости ячейки топливного элемента воздействует нагрузка, смещающая их друг к другу или друг от друга.

[0026] Поскольку концевая часть несущего каркаса, обращенная к газодиффузионному слою, закреплена на первом сепараторе связующим слоем, то соответствие между взаимным расположением несущего каркаса и мембранно-электродной сборкой изменится с меньшей вероятностью, даже при расширении или сжимании несущего каркаса вследствие изменения температуры при эксплуатации топливного элемента, то есть выработке электрической энергии.

[0027] Между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки расположен связующий слой, соединенный с внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки, то есть той частью мембранно-электродной сборки, на которую осуществляется воздействие через зазор между несущим каркасом и первым газодиффузионным слоем. Таким образом, эта часть усилена связующим слоем, в результате чего снижается вероятность деформации мембранно-электродной сборки вследствие разности в давлении газов между стороной катода и стороной анода.

[0028] Более того, поскольку первый сепаратор, первый газодиффузионный слой и несущий каркас соединены друг с другом связующим слоем, соответствие между взаимным расположением этих элементов изменится с меньшей вероятностью, даже в том случае, когда, например, к ячейке топливного элемента снаружи приложена нагрузка, и ячейка топливного элемента искривляется в направлении плоскости, то есть в направлении к концевой части или центру ячейки топливного элемента. Таким образом, снижается нагрузка, прилагаемая к мембранно-электродной сборке в направлении плоскости, и меньше вероятность разрушения мембранно-электродной сборки.

[0029] По этим причинам ячейка топливного элемента согласно настоящему изобретению обладает высокой механической прочностью.

[0030] Этот принцип будет раскрыт более подробно на примерах ячеек топливных элементов в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения и ячейки топливного элемента, не являющейся вариантом осуществления настоящего изобретения.

[0031] На ФИГ. 1 схематично изображена ячейка 100 топливного элемента, вид со стороны первого сепаратора 30. На ФИГ. 1 буквами L и W обозначено продольное направление ячейки топливного элемента и направление ширины ячейки топливного элемента соответственно.

[0032] Как показано на ФИГ. 1, в ячейке 100 топливного элемента на стороне первого сепаратора 30 предусмотрены первые отверстия 10а, 10f для прохождения газа, отверстия 10b, 10e для прохождения охлаждающей жидкости, а также вторые отверстия 10c, 10d для прохождения газа.

[0033] ФИГ. 2А представляет собой изображение в разрезе ячейки 100а топливного элемента согласно первому варианту осуществления изобретения, причем разрез выполнен вдоль линии разреза I-I'. На ФИГ. 2А и ФИГ. 2B буквами L и T обозначено продольное направление ячейки топливного элемента и направление толщины, то есть направление установки ячеек топливного элемента друг на друга соответственно.

[0034] Как показано на ФИГ. 2A, ячейка 100а топливного элемента согласно первому варианту осуществления содержит (I) блок 20 электродов. Блок 20 электродов содержит: а) мембранно-электродную сборку 21, в которой слои 21q, 21r электродного катализатора уложены, соответственно, на обе поверхности электролитного слоя 21p; b) первый газодиффузионный слой 22, уложенный на первую поверхность мембранно-электродной сборки 21, за исключением внешнего периферийного краевого участка 21a мембранно-электродной сборки 21; и с) второй газодиффузионный слой 23, уложенный на вторую поверхность мембранно-электродной сборки 21.

[0035] Ячейка 100а топливного элемента согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения дополнительно содержит: (II) несущий каркас 50, расположенный таким образом, чтобы он окружал первый газодиффузионный слой 22; (III) первый сепаратор 30, уложенный на боковую сторону блока 20 электродов, на которой расположен первый газодиффузионный слой 22, в контакте с первым газодиффузионным слоем 22 и закрепленный на несущем каркасе 50; и (IV) второй сепаратор 40, уложенный на боковую сторону блока 20 электродов, на которой расположен второй газодиффузионный слой 23, в контакте со вторым газодиффузионным слоем 23 и закрепленный на несущем каркасе 50.

[0036] Первый сепаратор 30 и второй сепаратор 40 содержат каналы 31 и 41 для газа-реагента соответственно.

[0037] На ФИГ. 2A несущий каркас 50 размещен таким образом, чтобы он окружал первый газодиффузионный слой 22 и блок 20 электродов. Тем не менее, несущий каркас 50 должен быть размещен таким образом, чтобы он окружал, по меньшей мере, первый газодиффузионный слой 22. Например, подобно ячейке 100b топливного элемента согласно второму варианту настоящего изобретения, изображенной на ФИГ. 2B, несущий каркас 50 может быть размещен таким образом, чтобы он перекрывал мембранно-электродную сборку 21 в направлении толщины Т ячейки 100b топливного элемента.

[0038] В первой части ячейки 100a топливного элемента: ячейка 100a топливного элемента содержит связующий слой 60; между первым сепаратором 30 и внешним периферийным краевым участком 22а первого газодиффузионного слоя 22 расположен связующий слой 60, соединяющий первый сепаратор 30 с внешним периферийным краевым участком 22а; между первым сепаратором 30 и внешним периферийным краевым участком 21а мембранно-электродной сборки 21 расположен связующий слой 60, соединенный с внешним периферийным краевым участком 21а мембранно-электродной сборки 21; и между первым сепаратором 30 и несущим каркасом 50 расположен связующий слой 60, соединяющий эти части. Несущий каркас 50 соединен с первым сепаратором 30 и вторым сепаратором 40 отдельными связующими слоями 70, хотя такая конфигурация не является обязательной для ячейки топливного элемента согласно данному описанию.

[0039] Таким образом, соответствие между взаимным расположением несущего каркаса 50 и мембранно-электродной сборки 21 изменится с меньшей вероятностью даже тогда, когда на несущий каркас 50 и мембранно-электродную сборку 21 в направлении плоскости, например, в направлении W ширины ячейки 100а топливного элемента воздействует нагрузка, смещающая их друг к другу или друг от друга.

[0040] Между первым сепаратором 30 и внешним периферийным краевым участком 21a мембранно-электродной сборки 21 расположен связующий слой 60, соединенный с внешним периферийным краевым участком 21а мембранно-электродной сборки 21. Таким образом, эта часть усилена связующим слоем 60, в результате чего снижается вероятность деформации мембранно-электродной сборки 21 вследствие разности в давлении газов на сторонах катода и анода.

[0041] Более того, поскольку первый сепаратор 30, первый газодиффузионный слой 22 и несущий каркас 50 соединены друг с другом связующим слоем 60, соответствие между взаимным расположением этих элементов изменится с меньшей вероятностью, даже в том случае, когда, например, к ячейке 100а топливного элемента снаружи приложена нагрузка, и ячейка 100а топливного элемента искривляется в направлении плоскости, например, в направлении W ширины к концевой части или центру ячейки 100а топливного элемента. Таким образом, снижается нагрузка, прилагаемая к мембранно-электродной сборке 21 в направлении плоскости, и вероятность разрушения мембранно-электродной сборки 21.

[0042] Между вторым сепаратором 40 и несущим каркасом 50 может быть предусмотрен связующий слой 60, соединяющий вместе эти части, как это имеет место в ячейке 100с топливного элемента согласно третьему варианту осуществления, изображенному на ФИГ. 3А, и ячейке 100d топливного элемента согласно четвертому варианту осуществления, изображенному на ФИГ. 3В.

[0043] В такой конфигурации первый сепаратор 30, первый газодиффузионный слой 22, несущий каркас 50 и второй сепаратор 40 соединены другу с другом связующим слоем 60, вследствие чего механическая прочность ячейки топливного элемента дополнительно увеличивается.

[0044] Напротив, например, в ячейке 100' топливного элемента, изображенной на ФИГ. 4 и не являющейся вариантом осуществления настоящего изобретения, несущий каркас 50 и мембранно-электродная сборка 21 соединены связующим слоем 60, однако первый сепаратор 30 и первый газодиффузионный слой 22 не соединены с несущим каркасом 50.

[0045] Таким образом, когда на несущий каркас 50 и мембранно-электродную сборку 21 в направлении плоскости ячейки 100' топливного элемента, например, в направлении W ширины, воздействует нагрузка таким образом, что смещает их друг к другу или друг от друга, соответствие между взаимным расположением несущего каркаса 50 и мембранно-электродной сборки 21, приводящее к разрушению мембранно-электродной сборки 21, изменится с меньшей вероятностью.

[0046] Кроме того, поскольку концевая часть несущего каркаса 50, обращенная к первому газодиффузионному слою 22, не соединена с первым сепаратором, соответствие между взаимным расположением концевой части несущего каркаса, обращенной к газодиффузионному слою, и мембранно-электродной сборкой, прикрепленной к газодиффузионному слою, вероятно, будет изменяться под действием тепла, выделяемого при эксплуатации ячейки 100' топливного элемента, что приведет к разрушению мембранно-электродной сборки 21.

[0047] Кроме того, поскольку между первым сепаратором 30 и внешним периферийным краевым участком 21а мембранно-электродной сборки 21 имеется часть, в которой связующий слой 60 не соединен с внешним периферийным краевым участком 21а мембранно-электродной сборки 21, мембранно-электродная сборка 21 может деформироваться вследствие разности давлений газов на стороне катода и стороне анода при эксплуатации ячейки топливного элемента.

[0048] Кроме того, поскольку первый сепаратор 30, первый газодиффузионный слой 22 и несущий каркас 50 не соединены друг с другом связующим слоем 60, то, например, когда к ячейке 100' топливного элемента снаружи приложена нагрузка, и ячейка 100' топливного элемента искривляется в направлении плоскости, например, в направлении W ширины к концевой части или центру ячейки 100' топливного элемента, соответствие между взаимным расположением этих элементов, вполне вероятно, будет изменяться, что приведет к разрушению, в частности, мембранно-электродной сборки 21, отличающейся низкой прочностью.

[0049] Предпочтительно, чтобы связующий слой был частично сплавлен с внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя в первой части. Таким образом, внешний периферийный краевой участок первого газодиффузионного слоя более надежно присоединен связующим слоем, в результате чего механическая прочность ячейки топливного элемента, согласно настоящему изобретению, дополнительно возрастает.

[0050] Толщина связующего слоя между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки в первой части, предпочтительно, составляет не менее 50% расстояния между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки. Таким образом, внешний периферийный краевой участок мембранно-электродной сборки дополнительно усиливается, так чтобы дополнительно снижать вероятность деформации мембранно-электродной сборки вследствие разности давления газов между стороной катода и стороной анода при эксплуатации ячейки топливного элемента.

[0051] Толщина связующего слоя между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки может составлять не менее 50%, 60%, 70% или 80% расстояния между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки. В более предпочтительном варианте толщина связующего слоя составляет не менее 100% расстояния, то есть связующий слой между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки соединяет первый сепаратор с внешним периферийным краевым участком.

Вторая часть

[0052] Если связующий слой между первым сепаратором и несущим каркасом соединяет эти части в первой части ячейки топливного элемента согласно настоящему изобретению, во второй части ячейки топливного элемента: первый сепаратор может содержать канал для газа-реагента; закрывающая пластина может проходить от области между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя до области между первым сепаратором и несущим каркасом через область между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки; между закрывающей пластиной и внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя может быть предусмотрен связующий слой, соединяющий закрывающую пластину с внешним периферийным краевым участком; между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки может быть предусмотрен связующий слой, соединенный с внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки; между закрывающей пластиной и несущим каркасом может быть предусмотрен связующий слой, соединяющий эти части; и связующий слой тем самым может быть отделен от канала для газа-реагента в первом сепараторе.

[0053] В данном случае канал для газа-реагента представляет собой канал, используемый для подачи газа-реагента, поступающего из области снаружи от ячейки топливного элемента, в газодиффузионный слой ячейки топливного элемента или для отведения газа-реагента, не вступившего в реакцию, наружу из ячейки топливного элемента. К примерам газов-реагентов относится анодный газ, например, газообразный водород, и катодный газ, например, газообразный кислород.

[0054] Если вторая часть ячейки топливного элемента согласно настоящему изобретению имеет описанную выше конфигурацию, в которой закрывающая пластина проходит от области между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя до области между первым сепаратором и несущим каркасом через область между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки, то связующий слой отделяется от канала для газа-реагента первого сепаратора таким образом, чтобы формирующийся связующий слой с меньшей вероятностью проникал в канал для газа-реагента и закупоривал его. Более того, вторая часть может иметь столь же высокую механическую прочность, что и первая часть.

[0055] Положение второй части в ячейке топливного элемента согласно настоящему изобретению, по существу, не ограничено. Например, вторая часть может быть расположена в области, прилегающей к первым отверстиям 10a, 10f для прохождения газа, отверстиям 10b, 10e для прохождения охлаждающей жидкости или вторым отверстиям 10c, 10d для прохождения газа, аналогично области, по которой проходит разрез II-II' на ФИГ. 5.

[0056] В частности, вторая часть может иметь конфигурацию, показанную на ФИГ. 6.

[0057] На ФИГ. 6 в разрезе изображена ячейка 100e топливного элемента согласно пятому варианту осуществления изобретения, причем разрез выполнен вдоль линии разреза II-II'.

[0058] Как показано на ФИГ. 6, во второй части ячейки 100е топливного элемента согласно пятому варианту осуществления настоящего изобретения: первый сепаратор 30 содержит канал 31 для газа-реагента; закрывающая пластина 80 проходит от области между первым сепаратором 30 и внешним периферийным краевым участком 22а первого газодиффузионного слоя 22 до области между первым сепаратором 30 и несущим каркасом 50 через область между первым сепаратором 30 и внешним периферийным краевым участком 21а мембранно-электродной сборки 21; между закрывающей пластиной 80 и внешним периферийным краевым участком 22а первого газодиффузионного слоя 22 предусмотрен связующий слой 60, соединяющий закрывающую пластину 80 с внешним периферийным краевым участком 22а; между первым сепаратором 30 и внешним периферийным краевым участком 21а мембранно-электродной сборки 21 предусмотрен связующий слой 60, соединенный с внешним периферийным краевым участком 21а мембранно-электродной сборки 21; между закрывающей пластиной 80 и несущим каркасом 50 предусмотрен связующий слой 60, соединяющий эти части; и связующий слой 60 тем самым отделен от канала 31 для газа-реагента в первом сепараторе 30.

[0059] Газ-реагент проходит через каналы 31 для газа-реагента в продольном направлении L на ФИГ. 5, то есть перпендикулярно листу чертежа на ФИГ. 6.

[0060] Предпочтительно, чтобы связующий слой между первым сепаратором и несущим каркасом соединял эти части вместе во второй части ячейки топливного элемента согласно настоящему изобретению.

[0061] Поскольку закрывающая пластина и первый сепаратор соединены друг с другом связующим слоем, соответствие между взаимным расположением закрывающей пластины и первого сепаратора изменится с меньшей вероятностью, даже в том случае, когда, например, к ячейке топливного элемента снаружи приложена нагрузка, и ячейка топливного элемента искривляется в направлении плоскости, то есть в направлении к концевой части или центру ячейки топливного элемента. Это позволяет дополнительно увеличить прочность второй части ячейки топливного элемента.

[0062] Если связующий слой между вторым сепаратором и несущим каркасом соединяет эти части в первой части ячейки топливного элемента согласно настоящему изобретению, во второй части ячейки топливного элемента: второй сепаратор может содержать канал для газа-реагента; закрывающая пластина может проходить от области между вторым сепаратором и вторым газодиффузионным слоем до области между вторым сепаратором и несущим каркасом; между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя может быть предусмотрен связующий слой, соединяющий первый сепаратор с внешним периферийным краевым участком; между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки может быть предусмотрен связующий слой, соединенный с внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки; между закрывающей пластиной и несущим каркасом может быть предусмотрен связующий слой, соединяющий эти части; и связующий слой тем самым может быть отделен от канала для газа-реагента во втором сепараторе.

[0063] Если вторая часть ячейки топливного элемента согласно настоящему изобретению имеет описанную выше конфигурацию, в которой закрывающая пластина проходит от области между вторым сепаратором и вторым газодиффузионным слоем до области между вторым сепаратором и несущим каркасом, то связующий слой отделяется от канала для газа-реагента второго сепаратора таким образом, чтобы формирующийся связующий слой с меньшей вероятностью проникал в канал для газа-реагента и закупоривал его. Более того, вторая часть может иметь столь же высокую механическую прочность, что и первая часть.

[0064] Положение второй части в ячейке топливного элемента согласно настоящему изобретению, по существу, не ограничено. Например, вторая часть может быть размещена в области, прилегающей к первым отверстиям 10a, 10f для прохождения газа, отверстиям 10b, 10e для прохождения охлаждающей жидкости или вторым отверстиям 10c, 10d для прохождения газа, аналогично области, в которой проходит разрез II-II' на ФИГ. 5.

[0065] В частности, вторая часть может иметь конфигурацию, показанную на ФИГ. 7.

[0066] На ФИГ. 7 в разрезе изображена ячейка 100f топливного элемента согласно шестому варианту осуществления изобретения, причем разрез выполнен вдоль линии разреза II-II'.

[0067] Как показано на ФИГ. 7, во второй части ячейки 100f топливного элемента согласно шестому варианту осуществления настоящего изобретения: второй сепаратор 40 содержит канал 41 для газа-реагента; закрывающая пластина 80 проходит от области между вторым сепаратором 40 и вторым газодиффузионным слоем 23 до области между вторым сепаратором 40 и несущим каркасом 50; между первым сепаратором 30 и внешним периферийным краевым участком 22а первого газодиффузионного слоя 22 предусмотрен связующий слой 60, соединяющий первый сепаратор 30 с внешним периферийным краевым участком 22а; между первым сепаратором 30 и внешним периферийным краевым участком 21а мембранно-электродной сборки 21 предусмотрен связующий слой 60, соединенный с внешним периферийным краевым участком 21а мембранно-электродной сборки 21; между закрывающей пластиной 80 и несущим каркасом 50 предусмотрен связующий слой 60, соединяющий эти части; и связующий слой 60 тем самым отделен от канала 41 для газа-реагента во втором сепараторе 40.

[0068] Газ-реагент проходит через каналы 41 для газа-реагента в продольном направлении L на ФИГ. 5, то есть перпендикулярно листу чертежа на ФИГ. 7.

[0069] Предпочтительно, чтобы связующий слой между вторым сепаратором и несущим каркасом соединял эти элементы во второй части.

[0070] Поскольку закрывающая пластина и второй сепаратор соединены друг с другом связующим слоем, соответствие между взаимным расположением закрывающей пластины и второго сепаратора изменится с меньшей вероятностью, даже в том случае, когда, например, к ячейке топливного элемента снаружи приложена нагрузка, и ячейка топливного элемента искривляется в направлении плоскости, то есть в направлении к концевой части или центру ячейки топливного элемента. Это позволяет дополнительно увеличить прочность второй части ячейки топливного элемента.

[0071] Более того, поскольку первый сепаратор, первый газодиффузионный слой, несущий каркас и второй сепаратор соединены между собой связующим слоем, механическая прочность ячейки топливного элемента дополнительно увеличивается.

[0072] Предпочтительно, чтобы связующий слой был частично сплавлен с внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя во второй части. Таким образом, внешний периферийный краевой участок первого газодиффузионного слоя более надежно соединен связующим слоем, в результате чего механическая прочность ячейки топливного элемента, согласно настоящему изобретению, дополнительно возрастает.

[0073] Толщина связующего слоя между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки во второй части, предпочтительно, составляет не менее 50% расстояния между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки. Таким образом, внешний периферийный краевой участок мембранно-электродной сборки дополнительно усиливается, что дополнительно снижает вероятность деформации мембранно-электродной сборки вследствие разности давления газов на сторонах катода и анода при эксплуатации ячейки топливного элемента.

[0074] Толщина связующего слоя между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки может составлять не менее 50%, 60%, 70% или 80% расстояния между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки. В более предпочтительном варианте толщина связующего слоя составляет не менее 100% расстояния, то есть связующий слой между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки соединяет первый сепаратор с внешним периферийным краевым участком.

Третья часть

[0075] Если вторая часть ячейки топливного элемента согласно настоящему изобретению имеет описанную выше конфигурацию, третья часть ячейки топливного элемента может иметь следующую конфигурацию.

[0076] Если закрывающая пластина проходит от области между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя до области между первым сепаратором и несущим каркасом через область между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки во второй части ячейки топливного элемента согласно настоящему изобретению, то есть если вторая часть имеет конфигурацию, например, показанную на ФИГ. 6, в третьей части ячейки топливного элемента согласно настоящему изобретению: ячейка топливного элемента может содержать между первым сепаратором и несущим каркасом соединительный канал, проходящий через несущий каркас таким образом, чтобы обеспечить связь между внешней частью ячейки топливного элемента и каналом для газа-реагента; закрывающая пластина может проходить от области между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя до области между первым сепаратором и несущим каркасом через область между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки; между закрывающей пластиной и внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя может быть предусмотрен связующий слой, соединяющий закрывающую пластину с внешним периферийным краевым участком; между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки может быть предусмотрен связующий слой, соединенный с внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки; между закрывающей пластиной и несущим каркасом может быть предусмотрен связующий слой, соединяющий эти части, и связующий слой может быть тем самым отделен от соединительного канала.

[0077] Если закрывающая пластина проходит от области между вторым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки до области между вторым сепаратором и несущим каркасом во второй части ячейки топливного элемента согласно настоящему изобретению, то есть если вторая часть ячейки имеет конфигурацию, например, показанную на ФИГ. 7, в третьей части ячейки топливного элемента согласно настоящему изобретению: ячейка топливного элемента может содержать между вторым сепаратором и несущим каркасом соединительный канал, проходящий через несущий каркас таким образом, чтобы обеспечить связь между внешней частью ячейки топливного элемента и каналом для газа-реагента; закрывающая пластина может проходить от области между вторым сепаратором и вторым газодиффузионным слоем до области между вторым сепаратором и несущим каркасом; между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя может быть предусмотрен связующий слой, соединяющий первый сепаратор с внешним периферийным краевым участком; между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки может быть предусмотрен связующий слой, соединенный с внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки; между закрывающей пластиной и несущим каркасом может быть предусмотрен связующий слой, соединяющий эти части; и связующий слой может быть тем самым отделен от соединительного канала.

[0078] Таким образом, соединительный канал представляет собой канал, проходящий через несущий каркас таким образом, чтобы обеспечить связь между внешней частью ячейки топливного элемента и каналом для газа-реагента. Соединительный канал представляет собой канал, по которому газ-реагент подводят снаружи к ячейке топливного элемента и отводят наружу из ячейки топливного элемента. К примерам газа-реагента относится анодный газ, например, газообразный водород, и катодный газ, например, газообразный кислород.

[0079] Если вторая часть и третья часть ячейки топливного элемента согласно настоящему изобретению имеют вышеописанные конфигурации, в которых соединительный канал сформирован между первым сепаратором или вторым сепаратором и несущим каркасом, а связующий слой отделен от соединительного канала в третьей части, вероятность перекрытия соединительного канала связующим слоем маловероятна. Более того, третья часть может иметь столь же высокую механическую прочность, что и первая часть.

[0080] Положение третьей части в ячейке топливного элемента согласно настоящему изобретению, по существу, не ограничено. Например, третья часть может быть размещена в области расположения первых отверстий 10a, 10f для прохождения газа, отверстий 10b, 10e для прохождения охлаждающей жидкости или вторых отверстий 10c, 10d для прохождения газа, аналогично области, в которой проходит разрез III-III' на ФИГ. 5.

[0081] Если вторая часть ячейки топливного элемента, согласно настоящему изобретению, имеет, например, структуру, показанную на ФИГ. 6, то третья часть может иметь, например, структуру, показанную на ФИГ. 8.

[0082] На ФИГ. 8 в разрезе изображена ячейка 100e топливного элемента согласно пятому варианту осуществления изобретения, причем разрез выполнен вдоль линии разреза III-III'.

[0083] Как показано на ФИГ. 8, ячейка 100е топливного элемента в соответствии с данным изобретением между первым сепаратором 30 и несущим каркасом 50 в третьей части содержит соединительный канал 90, проходящий через несущий каркас 50 таким образом, чтобы обеспечить связь между внешней частью ячейки 100е топливного элемента и каналом 31 для газа-реагента. Закрывающая пластина 80 проходит от области между первым сепаратором 30 и внешним периферийным краевым участком 22а первого газодиффузионного слоя 22 до области между первым сепаратором 30 и несущим каркасом 50 через область между первым сепаратором 30 и внешним периферийным краевым участком 21а мембранно-электродной сборки 21. Между закрывающей пластиной 80 и внешним периферийным краевым участком 22а первого газодиффузионного слоя 22 предусмотрен связующий слой 60, соединяющий закрывающую пластину 80 с внешним периферийным краевым участком 22а. Между первым сепаратором 30 и внешним периферийным краевым участком 21a мембранно-электродной сборки 21 расположен связующий слой 60, соединенный с внешним периферийным краевым участком 21а мембранно-электродной сборки 21. Между закрывающей пластиной 80 и несущим каркасом 50 предусмотрен связующий слой 60, соединяющий эти части. Связующий слой 60 тем самым отделен от соединительного канала 90. Газ-реагент может поступать с внешней стороны ячейки 100e топливного элемента в канал 31 для газа-реагента в направлении стрелки 200.

[0084] Если вторая часть ячейки топливного элемента, согласно настоящему изобретению, имеет, например, структуру, показанную на ФИГ. 7, то третья часть может иметь, например, структуру, показанную на ФИГ. 9.

[0085] На ФИГ. 9 в разрезе изображена ячейка 100f топливного элемента согласно шестому варианту осуществления изобретения, причем разрез выполнен вдоль линии разреза III-III'.

[0086] Как показано на ФИГ. 9, ячейка 100f топливного элемента в соответствии с данным изобретением между вторым сепаратором 40 и несущим каркасом 50 в третьей части содержит соединительный канал 90, проходящий через несущий каркас 50 таким образом, чтобы обеспечить связь между внешней частью ячейки 100f топливного элемента и каналом 41 для газа-реагента. Закрывающая пластина 80 проходит от области между вторым сепаратором 40 и вторым газодиффузионным слоем 23 до области между вторым сепаратором 40 и несущим каркасом 50. Между первым сепаратором 30 и внешним периферийным краевым участком 22а первого газодиффузионного слоя 22 предусмотрен связующий слой 60, соединяющий первый сепаратор 30 с внешним периферийным краевым участком 22а. Между первым сепаратором 30 и внешним периферийным краевым участком 21a мембранно-электродной сборки 21 расположен связующий слой 60, соединенный с внешним периферийным краевым участком 21а мембранно-электродной сборки 21. Между закрывающей пластиной 80 и несущим каркасом 50 предусмотрен связующий слой 60, соединяющий эти части. Связующий слой 60 тем самым отделен от соединительного канала 90. Газ-реагент может поступать с внешней стороны ячейки 100f топливного элемента в канал 41 для газа-реагента в направлении стрелки 200.

[0087] Предпочтительно, чтобы связующий слой был частично сплавлен с внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя в третьей части. Таким образом, внешний периферийный краевой участок первого газодиффузионного слоя более надежно соединен связующим слоем, в результате чего механическая прочность ячейки топливного элемента, согласно настоящему изобретению, дополнительно возрастает.

[0088] Толщина связующего слоя между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки в третьей части, предпочтительно, составляет не менее 50% расстояния между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки. Таким образом, внешний периферийный краевой участок мембранно-электродной сборки дополнительно усиливается, что дополнительно снижает вероятность деформации мембранно-электродной сборки вследствие разности давления газов между стороной катода и стороной анода при эксплуатации ячейки топливного элемента.

[0089] Толщина связующего слоя между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки может составлять не менее 50%, 60%, 70% или 80% расстояния между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки. В более предпочтительном варианте толщина связующего слоя составляет не менее 100% расстояния, то есть связующий слой между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки соединяет первый сепаратор с внешним периферийным краевым участком.

Блок электродов

[0090] Согласно настоящему изобретению, блок электродов содержит следующие компоненты от (а) до (с):

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

(b) первый газодиффузионный слой, уложенный на первую поверхность мембранно-электродной сборки, за исключением внешнего периферийного краевого участка мембранно-электродной сборки; и

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

Мембранно-электродная сборка

[0091] Мембранно-электродная сборка содержит электролитный слой и слои электродного катализатора, уложенные соответственно на обе поверхности электролитного слоя.

Электролитный слой

[0092] Для электролитного слоя можно использовать произвольный материал, пригодный для электролитного слоя ячейки топливного элемента. Примером такого материала являются фторполимерные мембраны, обладающие ионной проводимостью, в частности, ионообменные мембраны, обладающие протонной проводимостью и содержащие перфторсульфоновую кислоту.

Слой электродного катализатора

[0093] Примерами слоя электродного катализатора являются слой анодного катализатора и катодного катализатора. Слой анодного катализатора и слой катодного катализатора могут быть слоями катализатора, в которых каталитический металл нанесен на подложку.

[0094] Каталитический металл может представлять собой произвольный каталитический металл, используемый для изготовления катализатора топливных элементов. Таким каталитическим металлом могут быть Pt, Pd, Rh и сплавы, содержащие эти металлы.

[0095] Подложка может представлять собой произвольную подложку, используемую для изготовления катализатора топливных элементов. Примеры такой подложкой включают углеродные подложки, в частности, углеродные частицы стекловидного графита, сажу, активный углерод, кокс, природный графит, искусственный графит и иные подобные элементы.

Газодиффузионный слой

[0096] Согласно настоящему изобретению, первый газодиффузионный слой уложен на первую поверхность мембранно-электродной сборки, за исключением ее внешнего периферийного краевого участка, а второй газодиффузионный слой уложен на вторую поверхность мембранно-электродной сборки.

[0097] Один из слоев, в частности, первый газодиффузионный слой или второй газодиффузионный слой, является анодным газодиффузионным слоем, а другой является катодным газодиффузионным слоем.

[0098] Первый газодиффузионный слой и второй газодиффузионный слой могут быть изготовлены из произвольного материала, пригодного для изготовления анодного газодиффузионного слоя и катодного газодиффузионного слоя катализатора топливных элементов. Таким материалом может быть электропроводящий пористый материал. В частности, к таким пористым материалам относятся пористые углеродные материалы, например, углеродная бумага, углеродная ткань и стекловидный углерод, а также пористые металлические материалы, например, металлическая сетка и пористый металл.

Несущий каркас

[0099] Несущий каркас размещен таким образом, чтобы он окружал первый газодиффузионный слой.

[0100] Если ячейка топливного элемента согласно настоящему изобретению содержит третью часть, то несущий каркас в третьей части может содержать паз, который обеспечивает соединение между внутренней частью ячейки топливного элемента и областью снаружи от ячейки и может формировать соединительный канал.

[0101] Несущий каркас изготавливают из произвольного материала, способного обеспечить электрическую изоляцию и воздухонепроницаемость. Примерами таких материалов являются кристаллические полимеры, в частности, конструкционные пластмассы. К конструкционным пластмассам относятся, в частности, являются смолы на основе полиэтиленнафталата (PEN) и полиэтилентерефталата (PET).

Первый сепаратор

[0102] Первый сепаратор уложен на сторону блока электродов, на которой расположен первый газодиффузионный слой, в контакте с первым газодиффузионным слоем и закреплен на несущем каркасе.

[0103] На поверхности первого сепаратора, обращенной к первому газодиффузионному слою, может быть предусмотрено несколько канавок, которые могут образовывать каналы для газа-реагента. Канавки могут иметь произвольную форму, например, форму змеевика, при условии сохранения возможности подачи газа-реагента к первому газодиффузионному слою.

[0104] Первый сепаратор может содержать первое отверстие для прохождения газа, отверстие для прохождения охлаждающей жидкости и второе отверстие для прохождения газа.

[0105] Первый сепаратор может быть изготовлен из произвольного материала, который пригоден для изготовления сепаратора ячейки топливного элемента и может иметь свойства газонепроницаемости и электропроводности. Примером такого материала служит плотный углерод, формирующийся при сжатии углерода с целью придания ему газонепроницаемости, и металлические пластины, полученные прессованием.

Второй сепаратор

[0106] Второй сепаратор уложен на боковую сторону блока электродов, на которой расположен второй газодиффузионный слой, в контакте со вторым газодиффузионным слоем и закреплен на несущем каркасе.

[0107] Материал и структура второго сепаратора могут быть аналогичны первому сепаратору.

Связующий слой

[0108] В качестве связующего слоя можно использовать слой произвольного клеящего вещества, способного соединять друг с другом первый сепаратор, первый газодиффузионный слой, мембранно-электродную сборку, несущий каркас и второй сепаратор, и который может удерживать эти компоненты соединенными друг с другом в условиях эксплуатации ячейки топливного элемента.

[0109] Примерами такого клеящего вещества могут служить, в частности, клейкие смолы, такие как термопластичные смолы, термореактивные смолы и УФ-отверждаемые смолы. При использовании термопластичной смолы в качестве клеящего вещества предпочтительно, чтобы температура размягчения такой смолы была выше температуры тепла, выделяемого при эксплуатации ячейки топливного элемента.

Закрывающая пластина

[0110] Выбор материала закрывающей пластины, по существу, не ограничен при условии, что он представляет собой листовой материал, который может быть соединен с первым газодиффузионным слоем, мембранно-электродной сборкой и несущим каркасом с помощью связующего слоя. Примерами таких материалов являются титан, нержавеющая сталь, полифениленсульфид (PPS) и полипропилен (PP).

[0111] Ни один из чертежей, используемых для раскрытия настоящего изобретения, не может ограничивать конфигурацию, структуру и другие признаки ячейки топливного элемента согласно настоящему изобретению.

Claims (48)

1. Ячейка топливного элемента, содержащая:

(I) блок электродов, содержащий

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

(b) первый газодиффузионный слой, уложенный на первую поверхность мембранно-электродной сборки, за исключением внешнего периферийного краевого участка мембранно-электродной сборки, и

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

(II) несущий каркас, размещенный таким образом, чтобы он окружал первый газодиффузионный слой;

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

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

причем в первой части ячейки топливного элемента:

ячейка топливного элемента содержит связующий слой;

между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя расположен связующий слой, соединяющий первый сепаратор и внешний периферийный краевой участок;

между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки расположен связующий слой, соединенный с внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки; и

между первым сепаратором и несущим каркасом и/или вторым сепаратором и несущим каркасом расположен связующий слой, соединяющий несущий каркас и сепаратор.

2. Ячейка топливного элемента по п. 1, в которой связующий слой частично сплавлен с внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя в первой части.

3. Ячейка топливного элемента по п. 1 или 2, в которой толщина связующего слоя между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки в первой части составляет не менее 50% расстояния между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки.

4. Ячейка топливного элемента по п. 1 или 2, в которой между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки в первой части предусмотрен связующий слой, соединяющий первый сепаратор с внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки.

5. Ячейка топливного элемента по п. 1 или 2, в которой между первым сепаратором и несущим каркасом в первой части предусмотрен связующий слой, соединяющий первый сепаратор с несущим каркасом.

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

первый сепаратор содержит канал для газа-реагента;

закрывающая пластина проходит от области между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя до области между первым сепаратором и несущим каркасом через область между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки;

между закрывающей пластиной и внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя предусмотрен связующий слой, соединяющий закрывающую пластину с внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя;

между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки расположен связующий слой, соединенный с внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки;

между закрывающей пластиной и несущим каркасом предусмотрен связующий слой, соединяющий закрывающую пластину с несущим каркасом; и

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

7. Ячейка топливного элемента по п. 6, в которой между первым сепаратором и несущим каркасом во второй части предусмотрен связующий слой, соединяющий первый сепаратор с несущим каркасом.

8. Ячейка топливного элемента по п. 6 или 7, в третьей части которой:

между первым сепаратором и несущим каркасом ячейки топливного элемента расположен соединительный канал, проходящий через несущий каркас таким образом, чтобы обеспечить связь между областью снаружи от ячейки топливного элемента и каналом для газа-реагента;

закрывающая пластина проходит от области между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя до области между первым сепаратором и несущим каркасом через область между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки;

между закрывающей пластиной и внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя предусмотрен связующий слой, соединяющий закрывающую пластину с внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя;

между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки расположен связующий слой, соединенный с внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки;

между закрывающей пластиной и несущим каркасом предусмотрен связующий слой, соединяющий закрывающую пластину с несущим каркасом; и

связующий слой тем самым отделен от соединительного канала.

9. Ячейка топливного элемента по п. 1 или 2, в которой между вторым сепаратором и несущим каркасом в первой части предусмотрен связующий слой, соединяющий второй сепаратор с несущим каркасом.

10. Ячейка топливного элемента по п. 9, в которой во второй части ячейки топливного элемента:

второй сепаратор содержит канал для газа-реагента;

закрывающая пластина проходит от области между вторым сепаратором и вторым газодиффузионным слоем до области между вторым сепаратором и несущим каркасом;

между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя предусмотрен связующий слой, соединяющий первый сепаратор с внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя;

между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки расположен связующий слой, соединенный с внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки;

между закрывающей пластиной и несущим каркасом предусмотрен связующий слой, соединяющий закрывающую пластину с несущим каркасом; и

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

11. Ячейка топливного элемента по п. 10, в которой между вторым сепаратором и несущим каркасом во второй части предусмотрен связующий слой, соединяющий второй сепаратор с несущим каркасом.

12. Ячейка топливного элемента по п. 10 или 11, в которой в третьей части ячейки топливного элемента:

между первым сепаратором и несущим каркасом ячейки топливного элемента расположен соединительный канал, проходящий через несущий каркас таким образом, чтобы обеспечить связь между областью снаружи от ячейки топливного элемента и каналом для газа-реагента;

закрывающая пластина проходит от области между вторым сепаратором и вторым газодиффузионным слоем до области между вторым сепаратором и несущим каркасом;

между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя предусмотрен связующий слой, соединяющий первый сепаратор с внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя;

между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки расположен связующий слой, соединенный с внешним периферийным краевым участком мембранно-электродной сборки;

между закрывающей пластиной и несущим каркасом предусмотрен связующий слой, соединяющий закрывающую пластину с несущим каркасом; и

связующий слой тем самым отделен от соединительного канала.

Images