Патент на изобретение №2296393

(54) БАТАРЕЯ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, СИСТЕМА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БАТАРЕИ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области электротехники, к созданию батареи топливных элементов, системы топливных элементов, содержащих батарею топливных элементов, и к способу изготовления батареи топливных элементов. В частности, предложена технология получения тонкого слоя электролита без образования трещин. Электролитная мембрана 30 содержит плотный неорганический слой электролита 36, образованного на плотной корпусной детали 31. Каждый единичный топливный элемент содержит электролитную мембрану 30, топливный электрод и кислородный электрод. Множество единичных топливных элементов образуют слоистую структуру и соединены последовательно для создания батареи топливных элементов. Техническим результатом изобретения является возможность изготовления батареи топливных элементов, имеющей достаточно тонкий слой электролита, без образования в нем трещин. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 11 ил.

Область применения изобретения

Настоящее изобретение имеет отношение к созданию батареи топливных элементов, системы топливных элементов, содержащей батарею топливных элементов, и к способу изготовления батареи топливных элементов.

Предпосылки к созданию изобретения

Известный топливный элемент содержит слой разделения водорода, образованный на слое электролита твердой полимерной электролитной (электролитической) мембраны, как это описано в документе JP 10-294117 А. Слой разделения водорода имеет низкую газопроницаемость и позволяет снижать проникновение газа до низкого уровня, даже в присутствии отверстий (которые в дальнейшем здесь будут называться “трещинами”) в слое электролита. Таким образом, эта конструкция позволяет иметь достаточно тонкий слой электролита.

Однако трещины, которые появляются в обычном тонком слое электролита, повышают мембранное сопротивление и нежелательным образом снижают рабочие характеристики топливного элемента.

Краткое изложение изобретения

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков известного уровня техники и получение тонкого слоя электролита без образования трещин.

Для решения по меньшей мере части указанных выше и других задач, в соответствии с настоящим изобретением, предлагается батарея топливных элементов, которая содержит слоистую структуру из множества единичных топливных элементов. Каждый единичный топливный элемент имеет электролитную мембрану, имеющую корпусную деталь, образованную из плотного пропускающего водород материала, и плотный неорганический слой электролита, образованный по меньшей мере на одной наружной поверхности корпусной детали; топливный электрод, который расположен на одной наружной поверхности электролитной мембраны и к которому подводят содержащий водород топливный газ; и кислородный электрод, который расположен на другой наружной поверхности электролитной мембраны и к которому подводят содержащий кислород окисляющий газ.

В батарее топливных элементов в соответствии с настоящим изобретением объединенная структура плотного неорганического слоя электролита и плотной корпусной детали позволяет эффективно снизить толщину слоя электролита, без образования трещин в слое электролита. Такое построение выгодным образом снижает мембранное сопротивление слоя электролита. Полученная батарея топливных элементов содержит высокотемпературные топливные элементы и поэтому может работать в относительно низком рабочем диапазоне температур. Объединение в слоистую структуру множества единичных топливных элементов выгодным образом повышает полную выходную мощность батареи топливных элементов.

Слой электролита может быть изготовлен из керамического материала, например, из твердого оксидного материала, такого как ВаСеО₃ или SrCeO₃, или может быть изготовлен из твердого полимерного материала или другого электролита. Корпусная деталь может быть изготовлена из металлического материала, обладающего проницаемостью для водорода, например, из одного из следующих материалов: ванадий, ниобий, тантал, различные сплавы, содержащие по меньшей мере часть указанных элементов, а также сплавы благородных металлов, такие как сплавы палладия. Слой электролита может быть образован только на одной единственной наружной поверхности корпусной детали или на обеих наружных поверхностях корпусной детали. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения батарея топливных элементов дополнительно содержит сепаратор, который вставлен между каждой парой смежных единичных топливных элементов; и прокладку, которая находится в контакте с сепаратором и образует канал для подачи окисляющего газа к кислородному электроду. Канал содержит проводящий элемент, который содержит отверстие канала и служит для накопления мощности на кислородном электроде.

В этой предпочтительной конструкции комбинация прокладки и сепаратора позволяет легко создать канал окисляющего газа, при этом проводящий элемент позволяет эффективно накапливать мощность на кислородном электроде.

В батарее топливных элементов, которая имеет сепаратор, прокладку и проводящий элемент, проводящий элемент преимущественно представляет собой металлический элемент, выполненный с возможностью упругого деформирования за счет приложения внешней силы в направлении образования слоистой структуры (в направлении ламинирования) из множества единичных топливных элементов.

Слой электролита и другие слои электролитной мембраны являются весьма тонкими. Металл вводят в контакт с электролитной мембраной для накопления мощности. Долговечность электролитной мембраны определяется разрушением прокладки. Однако в этой предпочтительной конструкции проводящий элемент упруго деформируется и эффективно поглощает давление, вызванное разрушением прокладки. Таким образом, проводящий элемент не повреждает электролитную мембрану.

Металлический элемент может представлять собой тонкую металлическую пластину. Тонкая металлическая пластина может быть рифленой. Эта простая конструкция позволяет выполнять функцию накопления мощности и обладает упругой деформацией.

Металлический элемент может также представлять собой тонкую металлическую проволоку или металлическую губку, образованную за счет переплетения и спутывания тонких металлических проволок. Эта простая конструкция также позволяет выполнять функцию накопления мощности и обладает упругой деформацией.

Проводящий элемент преимущественно представляет собой металлический элемент с поверхностью, обработанной для того, чтобы иметь противоокислительные свойства. Такая конструкция выгодным образом исключает окисление проводящего элемента потоком окисляющего газа, протекающего через канал.

Прокладка может быть изготовлена из изоляционного материала. Изоляция прокладки эффективно исключает выход электронов из прокладки, в результате чего ускоряются реакции на соответствующих электродах.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения батарея топливных элементов дополнительно содержит сепаратор, который вставлен между каждой парой смежных единичных топливных элементов и который выступает наружу из электролитной мембраны, и изготовлен из материала, имеющего высокую теплопроводность, чтобы образованный выступ работал как излучающее ребро. В этом варианте не требуется использование сложного независимого блока охлаждения в батарее топливных элементов, так что выгодным образом упрощается общая конструкция батареи топливных элементов.

Батарея топливных элементов, в соответствии с указанным вариантом может дополнительно содержать: изоляционный кожух, который закрывает сверху батарею топливных элементов; и канал для охлаждающей среды (хладоносителя), который предусмотрен в кожухе и служит для пропускания охлаждающей среды в выступ сепаратора. Объединение кожуха с каналом для охлаждающей среды дополнительно упрощает общую конструкцию батареи топливных элементов.

В батарее топливных элементов, в соответствии с настоящим изобретением, корпусная деталь преимущественно содержит пропускающий водород материал, встроенный (заделанный) в перфорированную пластину, которая изготовлена из металлического материала, который отличается от пропускающего водород материала. Такая конструкция позволяет снизить полный объем пропускающего водород материала, который окружен другим металлическим материалом. Пониженный объем пропускающего водород материала позволяет эффективным образом исключить потенциальное расширение водорода в корпусной детали и за счет этого предотвратить отслаивание корпусной детали.

Корпусная деталь может быть изготовлена из смеси пропускающего водород материала и нержавеющей стали. Корпусная деталь может быть также изготовлена из смеси пропускающего водород материала и меди. Как нержавеющая сталь, так и медь, хорошо перемешанные с пропускающим водород материалом, не позволяют получать сплавы плохого качества и поэтому являются предпочтительными металлическими материалами для перемешивания с пропускающим водород материалом.

В конструкции в соответствии с предыдущим вариантом, имеющей сепаратор, который вставлен между каждой парой смежных единичных топливных элементов и выступает наружу из электролитной мембраны, этот сепаратор изготовлен из материала, имеющего высокую теплопроводность, что позволяет выступу функционировать как излучающее ребро, причем система топливных элементов может дополнительно содержать трубопровод для подачи охлаждающей среды, который подает охлаждающую среду к выступу сепаратора; и модуль переключения с охлаждения на нагревание, который переключается с подачи охлаждающей среды через трубопровод для подачи охлаждающей среды, на подачу теплоносителя.

Эта простая конструкция позволяет подавать поток охлаждающей среды к выступу сепаратора, в результате чего повышается эффективность охлаждения. В зависимости от потребности подачу охлаждающей среды можно переключать на подачу теплоносителя. Эта простая конструкция позволяет улучшить характеристики запуска системы при работе в холодной атмосфере.

Настоящее изобретение также направлено на создание способа изготовления батареи топливных элементов. Способ изготовления включает в себя следующие операции: (а) использование металлического сепаратора для последовательного соединения пары смежных единичных топливных элементов; (b) соединение корпусной детали, изготовленной из плотного пропускающего водород материала, с металлическим сепаратором; (с) образование плотного неорганического слоя электролита по меньшей мере на одной наружной поверхности корпусной детали; (d) соединение другого металлического сепаратора, который имеет полярность, отличающуюся от полярности металлического сепаратора, соединенного с корпусной деталью в указанной операции (а), с другой наружной поверхностью слоя электролита, так чтобы завершить образование одного единичного топливного элемента; (е) повторение операций (а)-(d) для образования множества единичных топливных элементов и слоистой структуры из множества единичных топливных элементов и (f) зажимание слоистой структуры из множества единичных топливных элементов при помощи зажима.

Этот способ изготовления в соответствии с настоящим изобретением позволяет легко изготавливать батарею топливных элементов, имеющую достаточно тонкий слой электролита, без образования в нем трещин. Такое построение позволяет выгодным образом уменьшить мембранное сопротивление слоя электролита. Полученная в результате батарея топливных элементов, которая содержит высокотемпературные топливные элементы, за счет этого может работать в относительно низком диапазоне температур.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 схематично показана конструкция батареи 1 топливных элементов в соответствии с первым вариантом настоящего изобретения.

На фиг.2 схематично показана конструкция каждого единичного топливного элемента батареи 1 топливных элементов.

На фиг.3 показана конструкция кожуха 60.

На фиг.4 показана схема последовательности операций способа изготовления батареи 1 топливных элементов.

На фиг.5 приведена таблица, в которой в качестве возможных модификаций показаны различные слоистые структуры электролитной мембраны.

На фиг.6 показана конструкция проводящего элемента 224 в одном из примеров модификаций.

На фиг.7 показан вид в плане, где можно видеть конструкцию пластины 231, использованной в качестве корпусной детали в другом примере модификаций.

На фиг.8 показана конструкция топливного канала и воздушного канала, образованных в имеющих канавки (в рифленых) металлических сепараторах, в еще одном примере модификаций.

На фиг.9 показана конструкция канала охлаждающего газа, выполненного в узле сердечника, в еще одном примере модификаций.

На фиг.10 схематично показано построение системы топливных элементов 500 в соответствии со вторым вариантом настоящего изобретения.

На фиг.11 показана блок-схема программы управления запуском.

Подробное описание изобретения

Некоторые виды осуществления изобретения будут описаны далее в качестве предпочтительных вариантов, чтобы прояснить различные характеристики, аспекты и результаты изобретения.

На фиг.1 схематично показана конструкция батареи 1 топливных элементов в соответствии с первым вариантом настоящего изобретения. На фиг.2 схематично показана конструкция каждого единичного топливного элемента батареи 1 топливных элементов. Единичный топливный элемент в соответствии с этим вариантом принадлежит к твердооксидным топливным элементам. Конструкция единичного топливного элемента (называемого далее как единичный элемент) описана сначала со ссылкой на сечение фиг.2. Единичный элемент главным образом содержит электролитную мембрану 30, введенную между двумя металлическими сепараторами 10 и 20.

Один металлический сепаратор 10 имеет канал 12 для подачи обогащенного водородом топливного газа, который (канал) содержит множество прямых канавок, идущих в перпендикулярном направлении к поверхности листа фиг.2. Другой металлический сепаратор 20 имеет канал 22 для подачи воздуха в качестве окисляющего газа. Канал 22 образован в пространстве, ограниченном металлическим сепаратором 20, электролитной мембраной 30 и прокладками 40. Металлические сепараторы 10 и 20 сделаны из металлического материала и преимущественно образованы из металла, имеющего высокую теплопроводность, например, из меди или алюминия. Прокладки 40 изготовлены из изоляционного материала, например, из каучука, пластмассы или имеющего высокую термостойкость волокнистого материала, частично пропитанного каучуком. Канал 22 разделен на множество каналов при помощи металлических пластин 24, как это обсуждается далее более подробно.

Электролитная мембрана 30 имеет шестислойную структуру и содержит плотную корпусную деталь 31 из ванадия (V). Корпусная деталь 31 вставлена между двумя плотными слоями 32 и 33 управления диффузией металла, которые дополнительно установлены между двумя слоями 34 и 35 покрытия из палладия (Pd). Материалом корпусной детали 31 не обязательно должно быть ванадий; это может быть любой из плотных пропускающих водород материалов, в том числе сплавы ванадия, такие как сплав ванадия с медью (Cu) и сплав ванадия с никелем (Ni), благородные металлы, такие как палладий, сплавы благородных металлов, такие как сплавы палладия, и элементы группы 5А Периодической системы элементов, такие как ниобий (Nb) и тантал (Та). Покрытия 34 и 35 вместо Pd могут быть изготовлены из сплава Pd-Ag, имеющего каталитическую функцию (обладающего каталитическим действием). Покрытие 34 образовано со стороны металлического сепаратора 10, при этом топливный электрод разделен на островки, введенные в соответствующие канавки канала 12 в металлическом сепараторе 10.

Слои 32 и 33 управления диффузией метала изготовлены из оксида вольфрама (WO₃) и их функцией является управление взаимной диффузией металла между корпусной деталью 31 и покрытиями 34 и 35. Кроме оксида вольфрама, для изготовления слоев 32 и 33 управления диффузией металла могут быть использованы такие материалы, как протоновые проводники, смешанные проводники, керамика, а также композиционные материалы и сортовые материалы, например, диоксид циркония, диоксид молибдена и Y₂O₃SiO₂.

Тонкая пленка слоя электролита 36 образована снаружи от покрытия 35 со стороны металлического сепаратора 20. Электролитный слой 36 изготовлен из перовскитного комплексного оксида (АВО₃), такого как ВаСеО₃ или SrCeO₃, в качестве твердого оксида, имеющего протонную проводимость. Материалом слоя электролита 36 не обязательно является перовскитный комплексный оксид; это может быть любой плотный неорганический электролитный материал, в том числе другие твердые оксиды, имеющие протонную проводимость, например, пирохлорные комплексные оксиды (А₂В₂O₇) и шпинельные комплексные оксиды (ABO₄).

В конструкции в соответствии с этим вариантом толщины корпусной детали 31, слоев 32 и 33 управления диффузией металла, Pd покрытий 34 и 35 и слоя электролита 36 соответственно равны 100, 1, 0.75 и 0.1 мкм. Следует иметь в виду, что толщины соответствующих слоев не ограничиваются указанными значениями, а могут быть выбраны произвольно. Корпусная деталь 31 спаяна с металлическим сепаратором 10 при помощи слоев пайки 37.

Электрод 38 образован на наружной поверхности слоя электролита 36. Электрод 38 изготовлен из пористой металлической губки или представляет собой металлическую сетку. Катализатор, например, палладий (Pd) или платина (Pt), нанесен на электрод 38 для ускорения реакции в процессе выработки электроэнергии. Толщина электрода 38 лежит в диапазоне от нескольких десятков до нескольких сотен микронов.

Воздушный канал 22 расположен на наружной поверхности электрода 38 и разделен на множество каналов при помощи ряда металлических пластин 24. Каждая из металлических пластин 24 представляет собой рифленую тонкую пластину, на одном конце в продольном направлении припаянную к плоскости металлического сепаратора 20, обращенной к электролитной мембране 30, а на другом конце находящуюся в контакте с наружной поверхностью электрода 38. Металлические пластины 24 такой конструкции служат для накопления (сбора) мощности на оксидном электроде. Металлические пластины 24 в этом варианте конструкции только находятся в контакте с наружной поверхностью электрода 38, а не соединены с ним, однако следует иметь в виду, что металлические пластины 24 могут быть также припаяны или соединены иным образом с наружной поверхностью электрода 38. Металлические пластины 24 изготовлены, например, из проволочной сетки, спеченной массы или нетканого материала, имеющего электронную проводимость и толщину, например, 0.5 мм. Поверхности металлических пластин 24 имеют покрытие или обработаны иным образом для обеспечения противоокислительных свойств. Противоокислительные свойства эффективно предотвращают окисление металлических пластин 24 воздухом, протекающим по каналу 22.

В процессы выработки электроэнергии единичной ячейкой, сконструированной в соответствии с описанным выше, водород, который содержится в топливном газе в канале 12 металлического сепаратора 10, диссоциирует на протоны и электроны. Протоны движутся через слой электролита 36 и соединяются с кислородом для образования воды на электроде 38. Соединение водорода с кислородом образует воду и вырабатывает электричество. В единичном элементе описанной конструкции металлический сепаратор 10 с каналом 12 для топливного газа соответствует топливному электроду, а электрод 38 представляет собой кислородный электрод.

Батарея 1 топливных элементов содержит множество единичных элементов, лежащих друг на друге. Как это показано на фиг.1, в батарее 1 топливных элементов имеется множество единичных элементов, каждый из которых содержит металлический сепаратор 10, электролитную мембрану 30 (имеющую прокладки 40) и металлический сепаратор 20, которые уложены в указанном порядке в слоях. Металлический сепаратор 10 в качестве водородного электрода и металлический сепаратор 20 в качестве кислородного электрода введены в объединенный металлический сепаратор между смежными единичными элементами. Батарея 1 топливных элементов обычно содержит от 100 до 400 единичных элементов, несмотря на то, что на фиг.1 показаны только 3 единичных элемента.

Металлические сепараторы 10 и 20 выступают наружу из структурного корпуса электролитных мембран 30 и прокладок 40. Металлические сепараторы 10 и 20 имеют отверстия под болты и прижимаются друг к другу при помощи болтов 50, введенных в отверстия под болты. Изоляционная втулка (не показана) введена между каждым болтом 50 и соответствующим отверстием под болт. Изолирующая шайба 52 установлена под головкой каждого болта 50 и под каждой гайкой 51. Это обеспечивает изоляцию между металлическими сепараторами 10 и 20.

Батарея 1 топливных элементов закрыта сверху кожухом 60 с коллекторами под каналы. На фиг.3 показана конструкция кожуха 60. На фиг.3 узел сердечника 61 условно извлечен из кожуха 60. Кожух 60 изготовлен из изоляционного материала, такого как нержавеющая сталь (SUS), и содержит шестиугольный узел сердечника 61, каналы 62 и 63 для охлаждающего газа, предусмотренные на обеих сторонах узла сердечника 61, впуск 64 топливного газа и выпуск 65 топливного газа, предусмотренные соответственно на передней и задней сторонах узла сердечника 61, а также впуск воздуха 66 и выпуск воздуха 67, предусмотренные соответственно на задней и передней сторонах узла сердечника 61.

Кожух 60 имеет две отдельные части, а именно, верхнюю секцию и нижнюю секцию. Батарея 1 топливных элементов вставлена в кожух 60 между этими отдельными частями.. Электролитные мембраны 30 и прокладки 40 расположены внутри узла сердечника 61, в то время как удлинения металлических сепараторов 10 и 20, то есть выступы электролитных мембран 30 и прокладок 40, расположены в каналах 62 и 63 охлаждающего газа. Батарея 1 топливных элементов размещена в кожухе 60 таким образом, что показанное на фиг.1 сечение (без кожуха 60) представляет собой разрез по линии А-А фиг.3. Каналы 62 и 63 охлаждающего газа имеют отверстия 62h для пропускания через них болтов 50 батареи 1 топливных элементов. Выступы металлических сепараторов 10 и 20 полностью введены в каналы 62 и 63 охлаждающего газа. Болты 50, пропущенные через отверстия 62h, зажимают и фиксируют верхнюю и нижнюю секции кожуха относительно батареи 1 топливных элементов.

Каналы 62 и 63 охлаждающего газа имеют передние впуски 62а и 63 а и задние выпуски 62b и 63b. Впуски 62а и 63а и выпуски 62b и 63b имеют ряд отверстий, число которых соответствует числу объединенных в слоистую структуру единичных элементов батареи 1 топливных элементов. Поток охлаждающего газа разветвляется при помощи отверстий на впусках 62а и 63а, проходит через выступы металлических сепараторов 10 и 20 в батарее 1 топливных элементов и выходит через выпуски 62b и 63b. Таким образом, выступы выполняют функцию излучающих ребер, обдуваемых охлаждающим газом.

Впуск 64 топливного газа и выпуск 65 топливного газа расположены соответственно справа спереди и слева сзади. Впуск воздуха 66 и выпуск воздуха 67 расположены соответственно справа сзади и слева спереди. В конструкции узла сердечника 61 поток топливного газа разветвляется за счет ответвлений 68, соответствующих множеству канавок канала 12, образованных в металлическом сепараторе 10. Поток воздуха разветвляется за счет ответвлений 69, соответствующих множеству проходов канала 22, образованных в металлическом сепараторе 20. Поток топливного газа и поток воздуха протекают через батарею 1 топливных элементов крест накрест на различных высотах узла сердечника 61. Поток топливного газа и поток воздуха протекают в противотоке; топливный газ течет спереди назад, в то время как воздух течет сзади вперед. В модифицированной конструкции положения впуска и выпуска воздуха могут быть обратными (впуск впереди, а выпуск сзади) в узле сердечника 61 (альтернативно, положения впуска и выпуска топливного газа также могут быть обратными (выпуск впереди, а впуск сзади) в узле сердечника 61). В этой модифицированной конструкции поток топливного газа и поток воздуха протекают параллельно в одинаковых направлениях. Остальные наружные поверхности узла сердечника 61, кроме наружных поверхностей с разветвлениями 68 и 69, закрыты изоляционной плитой (плитой из оксида алюминия, показанной как заштрихованная область), обеспечивающей газонепроницаемое уплотнение и опору для узла сердечника 61.

На фиг.4 показана схема последовательности операций способа изготовления батареи 1 топливных элементов. В этом процессе изготовления сначала припаивают твердым припоем корпусную деталь 31 к металлическому сепаратору 10, который используют в качестве водородного электрода (операция S100). Круговую часть на одной наружной поверхности корпусной детали 31 припаивают твердым припоем к металлическому сепаратору 10 (слои пайки 37 показаны на фиг.2). Таким образом, одна наружная поверхность корпусной детали 31 имеет неглубокий зазор между слоями пайки 37. Затем в процессе изготовления формируют слои 32 и 33 управления диффузией металла, на обеих наружных поверхностях корпусной детали 31 (операция S110). Слои 32 и 33 управления диффузией металла могут быть покрыты металлом, не покрыты металлом или нанесены на две наружные поверхности корпусной детали 31. Слой 32 управления диффузией металла выполнен в виде неглубокого зазора, образованного на одной наружной поверхности корпусной детали 31, со стороны металлического сепаратора 10.

В процессе изготовления покрывают соответствующие наружные поверхности слоев 32 и 33 управления диффузией металла Pd покрытиями 34 и 35 (операция S120). Покрытие 34 выполняют во множестве канавок канала, образованных в металлическом сепараторе 10.

Затем в процессе изготовления формируют слой электролита 36 на наружной поверхности покрытия 35 со стороны металлического сепаратора 20 (операция S130). Слой электролита 36 образуют за счет накопления электролита при помощи любой из известных различных технологий, например, при помощи физического осаждения, химического осаждения или напыления. Плотная корпусная деталь 31 позволяет производить образование достаточно тонкого слоя электролита 36. Затем в процессе изготовления формируют электрод 38 на наружной поверхности слоя электролита 36 (операция S140). Электрод 38 может быть образован при помощи любой из известных различных технологий, например, при помощи физического осаждения, химического осаждения или напыления. Затем большое число металлических пластин 24 припаивают твердым припоем к металлическому сепаратору 20, в качестве кислородного электрода (операция S150).

Выполнением операций S100-S150 завершается изготовление единичного элемента. Множество единичных элементов объединяют в слоистую структуру, с введением прокладок 40 в контакте с соответствующими корпусными деталями 31 (операция S160). Затем в процессе изготовления закрывают слоистую структуру кожухом 60 с использованием изоляционной плиты (операция S170). Закрытую кожухом 60 слоистую структуру стягивают болтами 50, с использованием гаек 51, изолирующих шайб 52 и изоляционных втулок (операция S180). Это завершает процесс изготовления батареи 1 топливных элементов. При использовании такой батареи 1 топливных элементов электрическую нагрузку 70 подключают между самым нижним металлическим сепаратором 10 и самым верхним металлическим сепаратором 20 (см. фиг.1).

В описанной выше батарее 1 топливных элементов объединенная структура плотного неорганического слоя электролита 36 и плотной корпусной детали 31 позволяет существенно снизить толщину слоя электролита 36, однако без риска появления трещин в слое электролита 36. Это построение выгодным образом снижает мембранное сопротивление слоя электролита 36 и понижает рабочую температуру твердооксидных топливных элементов, например, до диапазона от 400 до 600°С. Последовательное объединение в слоистую структуру множества единичных топливных элементов эффективно повышает полную выходную мощность системы топливных элементов.

В конструкции в соответствии с этим вариантом прокладки 40 и металлический сепаратор 20 позволяют без труда образовать воздушный канал 22. В обычной конструкции металлический сепаратор 20 имеет множество канавок, аналогично металлическому сепаратору 10 водородного электрода, чтобы принимать электроны из плоского электрода 38. В обычной конструкции с прокладками 40 по периметру электролитной мембраны 30 (что эквивалентно конструкции в соответствии с примером модификации, показанным на фиг.8) прокладки 40 разрушаются при стягивании батареи 1 топливных элементов болтами 50. Ребра между канавками канала в металлическом сепараторе 10 при этом прижимаются к электроду 38. Это может повредить электрод 38 и слой электролита 36. Однако в конструкции в соответствии с данным вариантом, с другой стороны, рифленые тонкие металлические пластины 24 деформируются и действуют аналогично пружинам, воспринимая давление в направлении зажимания батареи 1 топливных элементов, то есть в направлении образования слоистой структуры единичных элементов. Таким образом, металлические пластины 24 поглощают давление зажимания и защищают слой электролита 36 и электрод 38 от потенциального повреждения.

Металлические пластины 24 в конструкции в соответствии с первым вариантом являются рифлеными. Однако рифление не является обязательным, и металлические пластины 24 могут иметь любую другую упругодеформируемую форму, поглощающую давление в направлении образования слоистой структуры топливных элементов.

В конструкции в соответствии с данным вариантом прокладки 40 сделаны из изоляционного материала и не выпускают электроны. Такое построение обеспечивает проведение реакций на соответствующих электродах.

В конструкции в соответствии с этим вариантом металлические сепараторы 10 и 20, расположенные на краю каждой пары смежных единичных элементов, выступают из электролитной мембраны 30, причем прокладки 40 изготовлены из материала, имеющего высокую теплопроводность, например, из меди или алюминия. Эти выступы функционируют как излучающие ребра и выгодным образом упрощают конструкцию, позволяя отказаться от сложного механизма охлаждения внутри батареи 1 топливных элементов. Форма кожуха 60 позволяет выступам металлических сепараторов 10 и 20 непосредственно контактировать с охлаждающим газом. Эта простая конструкция позволяет повысить эффективность охлаждения.

Далее описаны некоторые возможные модификации первого варианта.

На фиг.5 приведена таблица, в которой показаны различные слоистые структуры электролитной мембраны в качестве возможных модификаций. Пример А соответствует конструкции варианта, показанного на фиг.2. В конструкции в соответствии с Примером А корпусная деталь 31 введена между слоями 32 и 33 управления диффузией металла и дополнительно имеет Pd покрытия 34 и 35, а слой электролита 36 образован на Pd покрытии 35, со стороны кислородного электрода.

В батарее 1 топливных элементов в соответствии с первым вариантом электролитная мембрана каждого единичного элемента должна иметь корпусную деталь из плотного пропускающего водород материала и слой электролита. В конструкции в соответствии с Примером В исключено покрытие 35 со стороны кислородного электрода. Покрытие 34 со стороны топливного электрода также служит для диссоциации водорода топливного газа на протоны и электроны. Протоны проходят через слой электролита 36 и запускают реакцию элемента.

Оба слоя 32 и 33 управления диффузией металла могут быть исключены в конструкции в соответствии с Примером С. Один из слоев 32 и 33 управления диффузией металла может быть исключен в конструкции в соответствии с Примерами D и Е. Слои 32 и 33 управления диффузией металла вводят для того, чтобы исключить взаимную диффузию метала между Pd покрытиями 34 и 35 и корпусной деталью 31. Таким образом, слои 32 и 33 управления диффузией металла могут быть опущены, когда допустима некоторая диффузия металла. Покрытие 35, предусмотренное в конструкциях в соответствии с Примерами С-Е, может быть опущено, как и в конструкции в соответствии с Примером В.

Электролитная мембрана может содержать слои электролита, образованные на обеих наружных поверхностях корпусной детали, изготовленной из плотного пропускающего водород материала. Дополнительный слой электролита, который идентичен слою электролита 36, образован между корпусной деталью 31 и слоем 32 управления диффузией металла в конструкции в соответствии с этим вариантом. Эта модифицированная конструкция также позволяет существенно уменьшить толщину слоев электролита и понизить рабочую температуру твердооксидных топливных элементов.

В конструкции в соответствии с первым вариантом слой электролита 36, изготовленный из твердого оксида, образован на наружной поверхности покрытия 35 со стороны металлического сепаратора 20. Модифицированная процедура позволяет наносить тонкую пленку слоя электролита 36 на покрытие 35. В этой модификации объединенная структура плотной мембраны 31 и тонкой пленки слоя электролита 36 позволяет в достаточной степени снизить толщину слоя электролита 36.

В конструкции в соответствии с первым вариантом металлические пластины 24, используемые в качестве проводящих элементов, имеют рифления для облегчения упругой деформации. В первой модифицированной конструкции рифленые металлические пластины 24 могут быть заменены плоскими металлическими пластинами с пружинными механизмами на соответствующих концах, входящими в контакт с электродом 38. Эти пружинные механизмы упруго деформируются за счет внешней силы, в направлении образования слоистой структуры единичных элементов. На фиг.6 показан проводящий элемент 224 в соответствии с этой модифицированной конструкцией. Проводящий элемент 224 имеет конец 224а с крючком, который находится в контакте с электродом 38 и действует как пластинчатая пружина. В этой модифицированной конструкции, конец 224а с крючком проводящего элемента 224 деформируется и выполняет функции пружины при воздействии давления зажимания в направлении образования слоистой структуры единичных элементов. Такое построение эффективно поглощает давление зажимания и, следовательно, защищает слой электролита 36 и электрод 38 от потенциальных повреждений.

В конструкции в соответствии с первым вариантом тонкие металлические пластины 24 используют как проводящий элемент. Альтернативно, проводящим элементом может быть тонкая металлическая проволока, изготовленная, например, из никеля или нержавеющей стали (SUS) и имеющая, например, диаметр 0.1 мм. Большое число тонких металлических проволок может быть введено между металлическим сепаратором 20 и электродом 38. Тонкие металлические проволоки преимущественно изогнуты волнистым образом, аналогично металлическим пластинам 24 первого варианта. Поверхности тонких металлических проволок преимущественно обработаны для придания им противоокислительных свойств.

Другая модифицированная конструкция может не содержать металлические пластины 24 и иметь окруженный прокладками 40 воздушный канал 22, заполненный металлической губкой, полученной за счет переплетения и спутывания тонких металлических проволок. Металлическая губка эффективно поглощает давление зажимания в направлении образования слоистой структуры единичных элементов и эффективно защищает слой электролита 36 и электрод 38 от потенциальных повреждений. Поверхности тонких металлических проволок металлической губки преимущественно обрабатывают для придания им противоокислительных свойств. Проводящие элементы в первом варианте конструкции и в этих модифицированных примерах конструкций имеют достаточное отверстие в воздушном канале 22.

В первом варианте конструкции и в этих модифицированных примерах конструкций, плоский электрод 38 образован на поверхности слоя электролита 36 и введен в контакт с проводящим элементом для накопления электрической мощности на металлическом сепараторе 20. В одной из модифицированных конструкций можно исключить электрод 38 и непосредственно открыть проводящий элемент к слою электролита 36. Проводящий элемент может быть изготовлен из тонкой пластины или тонкой проволоки и работает как пружина, как уже было упомянуто здесь выше. Поэтому низка вероятность повреждения слоя электролита 36 за счет прямого контакта проводящего элемента со слоем электролита 36. В другой из модифицированных конструкций, которая позволяет более эффективно исключить потенциальное повреждение, перфорированная металлическая пластина расположена на поверхности электрода 38 со стороны металлического сепаратора 20, причем проводящий элемент входит в контакт с этой перфорированной металлической пластиной.

Прокладки 40 в конструкции в соответствии с первым вариантом не обязательно должны иметь показанную на фиг.2 форму; вместо этого они могут иметь любую форму, позволяющую обеспечивать достаточное экранирование воздушного канала 22.

В конструкции в соответствии с первым вариантом корпусная деталь 31 изготовлена из плотного пропускающего водород материала. Пропускающий водород материал расширяется при прохождении водорода и сжимается, когда водород не проходит. Частые расширения и сжатия за счет периодической активизации и инактивирования системы могут приводить к отслаиванию корпусной детали 31. Далее приведены в качестве примеров модификации некоторые возможные структуры, которые позволяют исключить этот недостаток.

(a) В соответствии с первым примером модификации пропускающий водород материал введен в перфорированную пластину, образующую корпусную деталь. На фиг.7 показан вид в плане пластинчатого элемента 231, который в этой конструкции использован в качестве корпусной детали. Пластинчатый элемент 231 содержит перфорированную пластину 240, изготовленную из металлического материала, например, из молибдена (Мо) или вольфрама (W), имеющего более высокую температуру плавления, чем ванадий (V). Отверстия 240а перфорированной пластины 240 заполнены ванадием (V). В процессе изготовления используют перфорированную пластину 240 из металлического материала, вводят ванадий (V) в отверстия 240а перфорированной пластины 240 при помощи техники горячего изостатического прессования (HIP) и обжигают перфорированную пластину 240. Этот процесс позволяет плотно заполнить отверстия 240а перфорированной пластины 240 ванадием (V). Пластинчатый элемент 231 уменьшает площадь пропускающего водород материала и окружает пропускающий водород материал другим металлом. Такое построение эффективно предотвращает потенциальное расширения корпусной детали за счет водорода.

(b) В соответствии со вторым примером модификации вводят порошок из ванадия (V) в перфорированную пластину из нержавеющей стали (SUS) и прессуют перфорированную пластину с введенным в нее ванадием при помощи техники горячего изостатического прессования (HIP), чтобы получить корпусную деталь. Аналогично первому примеру (а) модификаций, такая модифицированная конструкция позволяет уменьшить площадь пропускающего водород материала и окружить пропускающий водород материал другим металлом. Такое построение эффективно предотвращает потенциальное расширение корпусной детали за счет водорода. Материалом перфорированной пластины не обязательно должна быть нержавеющая сталь SUS; это может быть другой металл, такой как Си, который отличается от пропускающего водород материала.

(c) В соответствии с третьим примером модификации при помощи литья получают тонкую проволоку из нержавеющей стали (SUS), которая является оболочкой для ванадия (V), и прокатывают полученную проволоку для образования корпусной детали. Процесс изготовления позволяет получать держатель шпильки (pin holder) из ванадия (V), в котором металлический материал (например, SUS или Cu), имеющий более низкую температуру плавления, чем V, введен в зазоры держателя шпильки из ванадия, причем осуществляют процесс литья и прокатки держателя шпильки для получения готовой корпусной детали. Эта модифицированная конструкция позволяет уменьшить площадь пропускающего водород материала и окружить пропускающий водород материал другим металлом. Такое построение эффективно предотвращает потенциальное расширение корпусной детали.

(d) В соответствии с четвертым примером модификации перемешивают Cu и V для получения больших Cu частиц, окруженных мелкими V частицами, и прессуют смесь при помощи техники горячего изостатического прессования (HIP), чтобы получить корпусную деталь. Эта конструкция обеспечивает преимущества, аналогичные преимуществам третьего примера модификации.

(e) В примерах модификации (с) и (d) корпусную деталь производят из смеси пропускающего водород материала и нержавеющей стали и из смеси пропускающего водород материала и меди. Корпусная деталь может быть получена из указанных смесей при помощи различных процессов, применяемых в примерах модификации (с) и (d). Как нержавеющая сталь, так и медь хорошо перемешиваются с пропускающим водород материалом и исключают получение сплавов плохого качества, так что они представляет собой отличные другие металлические материалы, подходящие для перемешивания с пропускающим водород материалом.

В конструкции в соответствии с первым вариантом воздушный канал 22 образуют в пространстве, ограниченном металлическим сепаратором 20, электролитной мембраной 30 и прокладками 40. Альтернативно, воздушный канал может быть образован при помощи множества канавок, образованных в металлическом сепараторе, аналогично топливному каналу 12. На фиг.8 показана конструкция топливного канала и воздушного канала, образованных в имеющих канавки металлических сепараторах, в соответствии с еще одним примером модификации. В показанной на фиг.8 конструкции металлический сепаратор 320 со стороны кислородного электрода имеет множество прямых канавок 322, аналогично металлическому сепаратору 10 со стороны топливного. электрода. Ребра между канавками входят в контакт с электродом 38 (элементы на фиг.8 имеют позиционные обозначения, соответствующие аналогичным элементам первого варианта).

Конструкция в соответствии с этим примером модификации обеспечивает преимущества, аналогичные преимуществам первого примера модификации, за исключением эффектов металлических пластин 24.

В конструкции в соответствии с первым вариантом металлические сепараторы 10 и 20 выступают из электролитной мембраны 30 и прокладок 40. Выступы выходят в каналы 62 и 63 охлаждающего газа. В другой модифицированной конструкции, показанной на фиг.9, канал охлаждающего газа может быть расположен внутри электролитной мембраны 30 и прокладок 40. В этой модифицированной конструкции металлический сепаратор 410 для топливного газа имеет множество канавок на обеих своих наружных поверхностях, позволяющих образовать канал 412 для топливного газа и канал 419 для охлаждающего воздуха. Металлический сепаратор 410 при помощи пайки твердым припоем соединен с другим металлическим сепаратором 420, снабженным воздушным каналом 422. Образование канала охлаждающего газа в узле сердечника позволяет выгодным образом уменьшить полные размеры батареи топливных элементов.

Далее будет описан второй вариант настоящего изобретения. В соответствии со вторым вариантом система топливных элементов содержит батарею 1 топливных элементов в соответствии с первым вариантом и систему охлаждения для батареи 1 топливных элементов. На фиг.10 схематично показана конструкция системы 500 топливных элементов в соответствии со вторым вариантом настоящего изобретения. Система 500 топливных элементов содержит батарею 1 топливных элементов в соответствии с первым вариантом. Трубопровод 502 для подачи охлаждающего воздуха подключен к впускам 62а и 63а охлаждающего воздуха, образованным на кожухе батареи 1 топливных элементов. Воздуходувка 504 подключена к другому концу трубопровода 502 для подачи охлаждающего воздуха и позволяет нагнетать воздушный поток через трубопровод 502 для подачи охлаждающего воздуха в батарею 1 топливных элементов.

Блок 506 для подачи воды позволяет подводить воду к средней части трубопровода 502 для подачи охлаждающего воздуха. На блок 506 для подачи воды поступает сигнал управления от электронного блока управления (ECU) 510, по которому начинается и заканчивается подача воды. Вода от блока 506 для подачи воды поступает в виде жидкости или тумана в трубопровод 502 для подачи охлаждающего воздуха и вместе с воздухом вводится в батарею 1 топливных элементов. Эта охлаждающая среда проходит через охлаждающие каналы 62 и 63 батареи 1 топливных элементов, где находятся выступы сепараторов 10 и 20. Содержащаяся в воздухе жидкость или туман частично или полностью испаряется за счет нагревания батареи 1 топливных элементов. Скрытая теплота испарения эффективно охлаждает батарею 1 топливных элементов.

Нагреватель 512 расположен в средней части трубопровода 502 для подачи охлаждающего воздуха и позволяет нагревать воздух, протекающий через трубопровода 502 для подачи охлаждающего воздуха. Нагреватель 512 соединен с реле 514, которое получает сигнал управления от ECU 510, чтобы включать и выключать нагреватель 512.

Датчик температуры 516, который установлен в заданном месте батареи 1 топливных элементов, позволяет измерять температуру батареи 1 топливных элементов и посылать выходной сигнал, отображающий измеренную температуру, на ECU 510. Блок ECU 510 также соединен с выключателем 520, что позволяет оператору включать и выключать систему 500 топливных элементов. Система 500 топливных элементов содержит систему подачи топлива и систему подачи воздуха, которые подают топливный газ и воздух соответственно на впуск 64 топливного газа и на впуск 66 воздуха батареи 1 топливных элементов (см. фиг.3). Для упрощения эти системы на фиг.10 не показаны. К батарее 1 топливных элементов также подключена некоторая нагрузка (не показана).

Блок ECU 510 представляет собой микроЭВМ, которая включает в себя центральный процессор CPU, постоянное запоминающее устройство ROM и ЗУ с произвольной выборкой RAM. ECU 510 выполняет стандартную программу запуска системы топливных элементов 500.

На фиг.11 показана блок-схема программы управления запуском, которая осуществляется периодически с заданными интервалами. При запуске программы управления CPU блока ECU 510 сначала определяет, что переключатель 520 системы включен (операция S600). Если переключатель 520 системы включен, то CPU включает воздуходувку 504 (операция S605), считывает измеренную температуру Т с датчика температуры 516 (операция S610) и определяет, что измеренная температура Т не превосходит заданный уровень Т0 (например, 0°С) (операция S620).

При положительном ответе в операции S620, то есть если измеренная температура Т не превосходит заданный уровень Т0, CPU включает реле 514 (операция S630) и программа возвращается к операции S620. С другой стороны, при отрицательном ответе в операции S620, то есть если измеренная температура Т превосходит заданный уровень Т0, CPU отключает реле 514 (операция S640) и программа переходит к возврату и выходу из этой программы управления.

В случае отрицательного ответа в операции S600 программа переходит к возврату и немедленно заканчивается.

Программа управления запуском, при включении переключателя 520 системы, включает воздуходувку 504 и реле 514, при этом нагретый воздух будет протекать через каналы 62 и 63 охлаждающего газа батареи 1 топливных элементов и, следовательно, подогревать батарею 1 топливных элементов.

В соответствии с непоказанной программой управления, когда температура Т, измеренная при помощи датчика 516 температуры, превосходит опорный уровень Т1 (Т0), то включается блок 506 для подачи воды. При температуре Т выше заданного опорного уровня Т1 вода, подаваемая от блока 506 для подачи воды, будет протекать через трубопровод 502 для подачи охлаждающего воздуха и при испарении, за счет скрытой теплоты испарения, будет охлаждать батарею 1 топливных элементов, как уже было упомянуто здесь выше.

В простой конструкции в соответствии со вторым вариантом охлаждающая среда протекает через выступы металлических сепараторов 10 и 20 в батарее 1 топливных элементов, что повышает эффективность охлаждения. В зависимости от необходимости можно переключать подачу охлаждающей среды на подачу теплоносителя. Таким образом, эта простая конструкция позволяет улучшить запуск системы в холодной атмосфере (в условиях холода).

Несмотря на то, что ранее здесь были описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения со ссылкой на примеры модификации, совершенно ясно, что их следует рассматривать только как пояснительные, но не ограничительные. В изобретение специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят, однако, за рамки формулы изобретения. Например, описанная электролитная мембрана может быть заменена любой другой электролитной мембраной, например, полимерной электролитной мембраной.

Формула изобретения

1. Батарея топливных элементов, которая содержит слоистую структуру из множества единичных топливных элементов, причем каждый единичный топливный элемент содержит

электролитную мембрану, имеющую корпусную деталь, образованную из плотного пропускающего водород материала, и плотный неорганический слой электролита, образованный по меньшей мере на одной наружной поверхности корпусной детали;

топливный электрод, который расположен на одной наружной поверхности электролитной мембраны и к которому подводят содержащий водород топливный газ; и

кислородный электрод, который расположен на другой наружной поверхности электролитной мембраны и к которому подводят содержащий кислород окисляющий газ.

2. Батарея топливных элементов по п.1, которая дополнительно содержит

сепаратор, который вставлен между каждой парой смежных единичных топливных элементов; и

прокладку, которая находится в контакте с сепаратором и образует канал для

подачи окисляющего газа к кислородному электроду,

причем указанный канал содержит проводящий элемент, который имеет отверстие канала и служит для накопления мощности на кислородном электроде.

3. Батарея топливных элементов по п.2, в которой проводящий элемент представляет собой металлический элемент, выполненный с возможностью упругого деформирования при приложении внешней силы в направлении образования слоистой структуры множества единичных топливных элементов.

4. Батарея топливных элементов по п.3, в которой металлический элемент представляет собой тонкую металлическую пластину.

5. Батарея топливных элементов по п.4, в которой металлическая пластина является рифленой.

6. Батарея топливных элементов по п.3, в которой металлический элемент представляет собой тонкую металлическую проволоку.

7. Батарея топливных элементов по п.6, в которой металлический элемент представляет собой металлическую губку, полученную при помощи переплетения и спутывания тонких металлических проволок.

8. Батарея топливных элементов по одному из пп.3-7, в которой проводящий элемент представляет собой металлический элемент с поверхностью, обработанной для того, чтобы иметь противоокислительные свойства.

9. Батарея топливных элементов по одному из пп.2-7, в которой прокладка изготовлена из изоляционного материала.

10. Батарея топливных элементов по п.1, которая дополнительно содержит

сепаратор, который вставлен между каждой парой смежных единичных топливных элементов,

причем сепаратор выступает наружу из электролитной мембраны и изготовлен из материала, имеющего высокую теплопроводность, что позволяет использовать выступ в качестве излучающего ребра.

11. Батарея топливных элементов по п.10, которая дополнительно содержит изоляционный кожух, который закрывает сверху указанную батарею топливных элементов; и

канал для охлаждающей среды, который предусмотрен в кожухе и служит для пропускания охлаждающей среды в выступ сепаратора.

12. Батарея топливных элементов по п.1, в которой корпусная деталь содержит пропускающий водород материал, заделанный в перфорированную пластину, которая изготовлена из металлического материала, который отличается от пропускающего водород материала.

13. Батарея топливных элементов по п.1, в которой корпусная деталь изготовлена из смеси пропускающего водород материала и нержавеющей стали.

14. Батарея топливных элементов по п.1, в которой корпусная деталь изготовлена из смеси пропускающего водород материала и меди.

15. Батарея топливных элементов по п.1, в которой слой электролита изготовлен из керамического материала.

16. Батарея топливных элементов по п.15, в которой слой электролита изготовлен из твердого оксидного материала.

17. Система топливных элементов, содержащая батарею топливных элементов по п.10, причем указанная система топливных элементов содержит

трубопровод для подачи охлаждающей среды к выступу сепаратора и

модуль переключения с охлаждения на нагревание, который переключается с подачи охлаждающей среды через трубопровод для подачи охлаждающей среды на подачу теплоносителя.

18. Способ изготовления батареи топливных элементов, который включает в себя следующие операции:

(a) использование металлического сепаратора для последовательного соединения пары смежных единичных топливных элементов;

(b) соединение корпусной детали, изготовленной из плотного пропускающего водород материала, с металлическим сепаратором;

(c) образование плотного неорганического слоя электролита по меньшей мере на одной наружной поверхности корпусной детали;

(d) соединение другого металлического сепаратора, который имеет полярность, отличающуюся от полярности металлического сепаратора, соединенного с корпусной деталью в указанной операции (а), с другой наружной поверхностью слоя электролита, так чтобы завершить образование одного единичного топливного элемента;

(e) повторение операций (a)-(d) для образования множества единичных топливных элементов и слоистой структуры из множества единичных топливных элементов и

(f) зажимание слоистой структуры из множества единичных топливных элементов при помощи зажима.

РИСУНКИ