Топливный элемент с мембраной, армированной волокном

Топливный элемент с мембраной, армированной волокном

Реферат

 

Изобретение относится к топливным элементам с полимерным электролитом. Согласно изобретению, топливный элемент содержит армированную волокном пористую центральную мембрану и две пористые наружные мембраны. С использованием различных технологий, таких как ионная или фотонная бомбардировка, травление и вакуумное осаждение, на обе стороны центральной мембраны наносят тонкие пленки из материалов катализатора и металлических электродов. Для сложных топлив осаждают два катализатора. Первый катализатор формирует внутренний электрод, содержащий поверхностную реплику. Второй катализатор расположен на внутренних поверхностях пор, чтобы захватывать водород прежде, чем он диффундирует из электрода и электролита. Гидрофобную пленку осаждают поверх электродных пленок, чтобы контролировать положение электролита и увеличить прочность электродов. Активную площадь поверхности катализатора увеличивают до максимума отделением пленки катализатора от пористой диэлектрической подложки и заполнением полостей между подложкой и пленкой катализатора электролитом. Монополярную батарею топливных элементов конструируют на центральной мембране с помощью такого геометрического размещения элементов на центральной мембране, чтобы обеспечить контакты через мембрану, поток воды через элемент, тонкие пленочные электроды и разрывы электродов. Топливный элемент можно также использовать в режиме электролизной ячейки для выделения из электролита газообразных реагентов. Техническим результатом изобретения является компактность, малый вес и низкая стоимость топливного элемента. 4 с. и 37 з.п. ф-лы, 17 ил.

Область техники Топливные элементы преобразовывают химическую энергию в электрическую с помощью газовой реакции в присутствии электролита, электродов и катализатора. Катализатором и электродом может быть платина или какой-нибудь другой дорогой материал. Поэтому желательно использовать минимальные количества материала катализатора и электродов. Топливные элементы часто используют для выработки электричества в труднодоступных местах. Поэтому крайне желательно сконструировать топливный элемент предельно компактным и легким. Чтобы серийное производство топливных элементов с экономической точки зрения было жизнеспособным, необходима оптимизация стоимости материалов, стоимости изготовления, а также оптимизация рабочих характеристик.

Уровень техники В патенте Великобритании N 874283 от 1961 г. описан микропористый электрод топливного элемента, имеющий в своей основе непластичный поливинилхлорид. Типичный исследованный поливинилхлорид имел толщину 0,76 мм и очень однородные поры 5 микрон. Поверхности были металлизированы вакуумным испарением серебра или золота. Слой катализатора наносили электроосаждением или введением в связывающий материал. Были созданы элементы мощностью до 5 кВт, работающие на водороде воздуха, но из-за использования поливинилхлорида их применение ограничивалось температурой 65^oC. Было показано, что пористые полиэтиленовые подложки могут быть использованы при температурах до 80^oC.

Нашла применение концепция закрепления хрупких электродов волоконной матрицей. Компания Siemens применяла пористый слой порошка, внедренного в асбестовую мембрану. Асбестовая мембрана обеспечивала механическое закрепление порошкообразного электрода.

Для формирования электродов на подложку из викорового стекла с протравленными порами напыляли танталовые и платиновые пленки. Электроды образовывали топливный элемент с высоким коэффициентом использования катализатора. Дальнейшее исследование показало, что подложки из викорового стекла непрактичны и что в контексте применения топливного элемента в космосе пористые металлические электроды не имеют преимущества в процессе напыления или осаждения катализатора.

В настоящем изобретении для того, чтобы электроды имели прочность пластиковой пленки и точную геометрию пор, необходимую в микротехнике, в качестве подложки использована мембрана с протравленными треками ядерных частиц (типа фильтра Nuclepore, выпускаемого компанией Nuclepore Corporation, Калифорния). Производительность элемента в общем случае может быть спрогнозирована с помощью простой модели пор. Наименьшая толщина испытанных элементов номинально составляла 10 микрон. Выяснилось, что практические ограничения на толщину элемента определяются прочностью мембраны, сопротивлением диффузии топлива и возможностями охлаждения. При минимальной толщине элемента потери от сопротивления элемента минимальны, а мощность на единицу массы максимальна. Некоторые трудности возникают при покрытии диэлектрической пленки с треками ядерных частиц катализаторами и электродами, наносимыми методом вакуумного осаждения. Во-первых, пленки, нанесенные вакуумным осаждением, часто имеют низкие коэффициенты слипания с диэлектрическими пленками и в процессе работы отделяются от них. Во-вторых, диэлектрические пленки часто не могут работать при более высоких температурах или в электролитической среде. В-третьих, при формировании батареи соединенных последовательно элементов во избежание механического повреждения от контакта элементов или высокого сопротивления пленок необходимо наращивать толщину металлических пленок с помощью проводящих металлических пленок. Большинство из тех металлических пленок, которые являются некорродирующими проводниками и могут быть осаждены на пластиковые подложки при достаточно низких температурах, сравнимо по цене с пленками катализаторов, таких как золото. Стоимость объемных металлических проводников становится ограничивающим фактором.

Электролитами, которые могут быть легко введены в электроды согласно настоящему изобретению, являются перфторированные ионообменные полимерные электролиты, такие как Nafion фирмы E.I.DuPont de Nemours. Nation внедрялся путем поглощения в мембраны Nuclepore и в матрицы из растянутого ПТФЕ (тефлона). Фирма E.I. DuPont выпускает перфторированные ионообменные полимерные электролиты или протонообменные мембраны (ПОМ), армированные растянутым ПТФЭ. Эффективная проводимость через Nafion при введении его в мембраны Nuclepore увеличивается в 20 раз по сравнению с обычными мембранами Nafion. Таким образом, структурирование перфторированного ионообменного полимерного электролита повышает проводимость, уменьшая одновременно количество требуемого полимерного электролита и диффузию газа. В контексте настоящего изобретения этот объект назван "коллимированным" электролитом. Поперечная электролитическая ионная проводимость в направлении, перпендикулярном расположению пор, блокируется коллимирующей диэлектрической мембраной. Технология формирования электродов топливного элемента на матрице с внедренным в нее полимерным электролитом описана в патенте США N 4666579. Способы растворения Nafтion в спирте описаны в патенте США N 5084144.

В настоящий момент уровень техники применительно к ПОМ топливных элементов сводится только к осаждению "платиновых паст" на перфторированные ионообменные полимерные электролиты, описанному в патенте США N 5084144. Исследователи в этой области пришли к выводу, что использование платины сейчас достигло такого уровня, когда в стоимости топливных элементов доминирует стоимость остальных компонентов, например, перфторированных ионообменных полимеров, таких как мембраны Nafion. Были изготовлены мембраны толщиной до 20 микрон и достигнута плотность тока 3 ампера на квадратный сантиметр, что понизило стоимость за счет увеличения мощности, приходящейся на единицу площади. Более тонкие пленки электролита не применялись из-за их хрупкости и дефектов в виде микроотверстий, вызывающих шунтирование электродов. Очевидное основное допущение при самом общем рассмотрении заключается в том, что стоимость, приходящаяся на единицу площади, приблизительно постоянна и определяется стоимостью каркаса и сепаратора газов. Далее следует учитывать функциональность и технологичность.

Серьезной инженерной проблемой многих модификаций топливных элементов является контроль влажности. Топливные элементы, не использующие циркуляцию электролитов, имеют тенденцию к дегидратации их электролитов, т.к. при работе выделяют больше тепла, чем их окружение. Это может привести к работе элемента в условиях, далеких от оптимальных. Типичный способ регидратации топливных элементов заключается в захвате воды в выпускном потоке в более холодном конденсаторе с последующим увлажнением поступающего топливного газа при давлении, превышающем давление водяных паров в топливных элементах с более высокой температурой испарителя. Это увеличивает вес топливных элементов и усложняет механизм их работы. Одним из решений было перетекание воды обратно через центральное отверстие, как это описано в патенте США N 5242764. Такая рециркуляция исключает необходимость высоких перепадов давлений для контроля электролитноводного баланса, что, в свою очередь, исключает необходимость для электродов и сепаратора выдерживать большие перепады давлений. Это позволяет существенно уменьшить вес топливных элементов. Часть электролита является подвижным компонентом. Проблемы, связанные с подвижным электролитом, включают необходимость дополнительного пространства над электролитом, необходимого при работе топливного элемента для поперечной диффузии воды. Дополнительный размер этого пространства зависит от длины хода и от диффузного сопротивления центральному потоку при прохождении его через отверстие. Это пространство может существенно увеличить сопротивление элемента. Патент США N 5242764 требует также более дорогого электролита для обеспечения поперечного движения воды через него, что увеличивает стоимость и вес элемента. При использовании подвижного электролита могут возникнуть проблемы утечки и потери электролита, а также проблемы коррозии.

Проточные, низкотемпературные (ориентировочно ниже 200^oС) батареи топливных элементов используют биполярное соединение электродов и газосепараторные перегородки. Необходимо, чтобы перегородки обладали электрической проводимостью и непроницаемостью для газов. Часто требуется, чтобы они сохраняли работоспособность в том же электролитическом окружении, что и электроды топливных элементов. Обычно сепараторы должны выдерживать перепады газового давления между топливным газом и газом-окислителем. Поэтому от сепараторов в большинстве случаев требуется достаточная механическая прочность. Это приводит к необходимости использовать объемные металлические сепараторы, у которых по меньшей мере металлические поверхности имеют некорродирующий характер, например, представляют собой графитовые, платиновые или золотые покрытия, а также покрытия из легированного алмаза. В сыром, индуцирующем коррозию окружении (топливо и окислитель по разные стороны сепаратора и контакт с электролитом и образующейся водой) из-за электрического контакта, встроенного в эти разделители, может иметь место коррозия и уменьшение срока службы топливного элемента. Поскольку большая часть батареи топливных элементов сделана из металла, такая батарея имеет повышенную вероятность катастрофического разрушения электрического и взрывного типа, если происходит шунтирование. Массивность сепараторов газов уменьшает удельную мощность, приходящуюся на единицу массы топливного элемента.

В последнее время для метанольных катализаторов прямого типа были предложены новые модификации, работающие с кислыми электролитами. Эти катализаторы в 10-100 раз более активны по отношению к метанольному и формальдегидному топливам, чем чистая платина. В настоящее время общепринятым способом является использование типичных порошковых каталитических электродов без геометрической дифференциации расположения катализаторов в электродах. Топливные элементы прямого превращения метанола сталкиваются с проблемой образования в подаваемом топливе углекислого газа, который необходимо удалять. В результате взаимодействия с топливным элементом удаляемый поток топлива обеднен метанолом и водородом и обогащен углекислым газом. Затем удаляемый газ обычно сжигают, чтобы избавиться от остатков водорода, и сбрасывают в атмосферу. Проблема заключается в том, что сброс водорода и метанола уменьшает энергетическую эффективность этой схемы топливного элемента, и чем выше концентрация углекислого газа в потоке топлива, тем ниже производительность топливного элемента. В идеальном случае выброс из топливного элемента должен иметь нулевую концентрацию непереработанного метанола или водорода и низкую концентрацию углекислого газа. В этом случае необходимость сжигания удаляемого потока отпадает.

Производительность 1 А/см² была достигнута также со щелочными электролитами для элементов с платиновым катализатором на никелевых подложках. В этих экспериментах используют платиновые катализаторы на пористых никелевых каркасных структурах. Для щелочных элементов злободневной проблемой является тот факт, что при достаточно высокой концентрации углекислого газа в электролите выделяемый из топливного элемента углекислый газ образует в электролите углеродный осадок.

Сущность изобретения Задача, решаемая настоящим изобретением, заключается в создании компактных топливных элементов и модулей на их основе, экономичных с точки зрения использования материалов и имеющих оптимизированные рабочие характеристики, а также нового технологичного способа изготовления топливных элементов.

Конструкция топливного элемента состоит из трех пористых мембран. Первая, центральная мембрана имеет электроды, сформированные на каждой из сторон. Две наружные мембраны являются мембранами, регулирующими воду и обеспечивающими ее циркуляцию. Электроды на центральной мембране формируются осаждением тонких пленок катализатора и материалов металлических электродов на обеих сторонах поверхности пористой мембраны, армированной волокном. Благодаря использованию тонких пленочных электродов топливные элементы обладают заложенным в них свойством прерывать шунтирование и имеют высокое значение отношения изолятор-металл по всей конструкции элемента, что способствует предотвращению самопроизвольного короткого замыкания.

Для увеличения площади поверхности катализатора можно использовать пористость мембран и нанесенных осаждением покрытий, формируя сквозные отверстия для последовательного соединения элементов и разрывы электродов. Для контроля положения электролита в порах и для упрочнения электродов поверх электродных пленок осаждают гидрофобные пленки. Для обеспечения проводимости и прочности электродов могут осаждаться металлические проводники, более эффективные с точки зрения их стоимости. Максимальная площадь активной поверхности катализатора достигается отделением пленки катализатора от пористой подложки с последующим заполнением образовавшегося объема электролитом. Для сложных топлив, таких как метанол, осаждают два катализатора. Первый катализатор формирует внутренний электрод с поверхностной репликой (метанол-активный катализатор), а второй катализатор осаждают на внутренние поверхности пор, чтобы захватить водород, прежде чем он диффундирует из электрода и электролита (водород-активный, метанол-инертный катализатор).

Действие топливного элемента предусматривает подведение газообразного топлива к одному из электродов, а газа-окислителя - к другому или, как в электролизном элементе, выделение газовых реагентов из электролита. В процессе работы на более холодные наружные поверхности газовой магистрали может подаваться вода, проточно рециркулирующая через электродные отверстия. Для поддержания содержания воды в топливном элементе на постоянном уровне пористые наружные мембраны могут быть покрыты материалами, удерживающими воду при дегидратации элемента и сбрасывающими ее, когда элемент слишком увлажнен. В результате всего этого элемент имеет высокую удельную мощность на единицу массы и обеспечивает эффективное использование материалов катализатора и электродов.

Принципиальными преимуществами технологий тонких пленочных поверхностных реплик является возможность контроля точной геометрии однородных пор, сформированных протравленными треками ядерных частиц, что в случае вакуумного осаждения тонких пленок позволяет контролировать на нанометрическом уровне границу раздела жидкость-газ, электрические межсоединения и положение катализатора в порах. Благодаря использованию обратной стороны пленочной реплики в качестве каталитически активной поверхности вся площадь первого осажденного слоя может контактировать с электролитом, причем отпадает необходимость удаления катализатора с любой наружной поверхности, как это имеет место в случае, описанном в патенте США N 4673624 для покрытий, осаждаемых внутри пор. Результатом настоящего изобретения является максимальное использование материала катализатора и быстрый процесс изготовления элемента. При наличии конструкции, поддерживающей тонкий пленочный электрод поверх электролита, появляется практическая возможность использования молекулярной полупроницаемости тонкого электродного материала, такой как селективная проницаемость палладия по отношению к водороду, для переноса реагентов через электроды и для фильтрации потоков реагентов различного типа, таких как моноокись углерода или метанол.

Прецизионное расположение элементов настоящего изобретения относительно друг друга позволяет эффективно использовать катализаторы и проводники, сводя к минимуму неактивную массу, присутствующую в обычных топливных элементах. Новые электроды топливных элементов, размер элемента, толщина электролита и катализаторы могут быть оптимизированы, возможно их изготовление с помощью литографической техники. Усовершенствования настоящего топливного элемента по сравнению с топливными элементами, использующими технологию порошкововолоконного типа, включают более прочную конструкцию топливного элемента, радикальное упрощение серийного производства и увеличение мощности на единицу массы батареи элементов.

Точное местоположение электролита и катализатора согласно настоящему изобретению также приводит к более стабильной мощности на выходе. Возможность рециркуляции электролита и, насколько это возможно, использование только благородных металлов в качестве материала для электродов позволяют элементу работать в режиме стабильного электролизного элемента.

Топливные элементы согласно настоящему изобретению производятся в виде небиполярных (монополярных), соединенных последовательно элементов на едином тонком гибком слое. Такая структура элементов с точки зрения компактности обладает беспрецедентными возможностями по сравнению с обычной для топливных элементов жесткой структурой в виде скрепленной болтами батареи на толстой пластине. Эти преимущества компактности могут быть реализованы в следующих формах: -тонкая, механически гибкая структура элемента, изгибающаяся в соответствии с кривизной поверхности; - структура, которой можно придать нестандартные свободные формы, - структура, которая путем изменения площади может быть сделана очень маленькой или очень большой. Были изготовлены соединенные последовательно элементы с номинальной толщиной 10 микрон.

У нового топливного элемента есть три новых преимущества в отношении безопасности. Во-первых, для топливных элементов, использующих повышенное внутреннее давление, торможение потоков жидкостей в порах и трубках маленького диаметра уменьшает опасность неожиданной декомпрессии. Емкости для хранения реагентов и газовые магистрали могут быть заполнены за счет капиллярности трубок и пор. В случае неожиданной разгерметизации газовый поток будет тормозиться вязкостным сопротивлением в проточных каналах маленького диаметра. Второй фактор безопасности для рециркуляции воды в топливных элементах, использующих твердый полимерный электролит, заключается в том, что для противодействия ионному сопротивлению воды при прохождении ее через электролит больше не требуется воздействия высокого перепада давления в элементе. Поэтому можно исключить необходимость повышенного давления в топливных элементах и, тем самым, исключить опасность их разрушения. Третий фактор безопасности настоящего изобретения заключается в том, что высокое значение отношения изолятор-проводник для материалов, составляющих новый топливный элемент, предохраняет от катастрофического внутреннего электрического замыкания, которое может создать серьезную опасность взрыва, если приведет к разгерметизации и неожиданному смешиванию реагентов или к простому нагреву от электрического разряда.

В новом изобретении сепаратор газов может быть исключен, а степень использования дорогого твердого полимерного электролита может быть резко увеличена. Каркасы могут быть гораздо менее массивными и менее дорогими. В результате уменьшается стоимость, приходящаяся на единицу площади, а общие затраты определяются не стоимостью материалов, а стоимостью изготовления.

В новом топливном элементе используется концепция возвратного протекания воды через отверстия элемента с гораздо более компактной схемой локального контроля воды и упрощается работа системы в целом. В топливном элементе по настоящему изобретению электролит может быть подвижным или неподвижным, а также может быть настолько тонким, насколько это необходимо для минимизации сопротивления электролита. В новом изобретении поперечная ионная проводимость электролита, перпендикулярная направлению пор, блокируется путем заполнения электролитом коллимированного пористого диэлектрического материала, такого как мембраны с протравленными треками ядерных частиц (мембранные фильтры NUCLEPORE). Если удалить электролит с наружной поверхности мембраны, электролит придает электролитной мембране свойство проводимости по одной координате, которое используется для формирования эффективного электрического разделения элементов друг от друга посредством однороднопористых подложек. Отсутствие этого свойства коллимированного электролита в монополярных последовательно соединенных элементах с гомогенными электролитами, расположенных на единых мембранах, привело бы к появлению шунтирующих токов в направлении соседних элементов. Другой альтернативой для обеспечения разделения элементов согласно настоящему изобретению является формирование, наряду с разделением электродов, непористых диэлектрических изолирующих промежутков. Оба этих способа обеспечения изоляции элементов могут быть использованы для создания эффективных монополярных соединенных последовательно элементов на единых мембранах. Короткие расстояния для сквозного потока и короткие электрические межсоединения в новом топливном элементе уменьшают электрическое сопротивление, сопротивление рециркуляции воды, а также увеличивают внутреннюю электролитноводную циркуляцию. Благодаря совмещению отверстий для сквозного потока и электрических межсоединений элемент упрощается, а сопротивление водному потоку уменьшается, и даже имеет место некоторое ускорение потока омическими потенциалами вдоль электродов.

В настоящем топливном элементе из-за монополярного характера батареи сепаратор газов исключен. Электроды тонкие. Отношение металл-изолятор низкое, что проявляется в устойчивости к электрическому шунтированию и в уменьшении веса системы.

Новый топливный элемент имеет новый электрод, решающий проблемы выведения отработанных продуктов и неэффективности путем обработки сложных топлив непосредственно в электродах и использованием водорода простым и эффективным способом, прежде чем он диффундирует из электрода.

Проблему отравления углекислым газом и моноокисью углерода в новых электродах можно решить, сделав их полупроницаемыми для диффузии газов с целью фильтрации топлива и в то же время эффективно утилизируя водород, прежде чем он диффундирует через мембрану. Жидкий электролит также может циркулировать в миниатюрном масштабе этих новых электродов, и из-за более низких температур наружных поверхностей захвата и циркуляции воды осадки образуются в большей степени на наружной стороне элемента, чем внутри электролита. При большой частоте циркуляции электролита и адекватном обмене электролита с атмосферой возможна диффузия углекислого газа из электролита. При наличии температурных градиентов осадки можно удалить также периодическим термоциклированием. Для удаления катализаторных ядов, таких как моноокись углерода, могут быть применены чистка элементов или периодическое изменение полярности напряжения на элементе.

Настоящее изобретение приводит к новым способам формирования электродов, в том числе электродов монополярных батарей с последовательным соединением, устранению дефектов, локальной утилизации воды и ее контролю, контролю стехиометрии катализатор/топливо, разделению газов на полупроницаемых мембранах, работе при равновесном давлении через топливный элемент, а также к способам точного формирования элементов.

Новые и уникальные особенности настоящего изобретения включают следующее: - репликация пористых поверхностей для топливных элементов; - репликация пористой поверхности и целевое отделение ее от поверхности подложки для формирования электродов топливных элементов; - бомбардировка ядерными частицами или фотонами с целью структурирования поверхностей подложек для электродов- реплик; - контроль соотношения конденсация/микроструктура тонких пленочных осажденных покрытий с целью получения требуемых свойств; - применение волоконной матрицы для фиксации топливного элемента как единого целого; - применение диэлектрических и пластиковых пленок для упрочнения пленок-реплик и усиления их сцепления с волоконной матрицей; - применение осажденных в вакууме пленок для контроля поверхностного натяжения и положения электролита; - целевая репликация ячеистой поверхности для придания гибкости электродам-репликам: - формирование топливного элемента на единой мембранной подложке; - формирование монополярных элементов на единой мембране со сквозными отверстиями и разделительными зазорами; - формирование монополярных элементов радиационным разрушением; - применение коллимированного электролита для блокирования поперечной ионной проводимости между соседними элементами в монополярной последовательно соединенной батарее на общей мембране; - применение пористых наружных поверхностей для удержания и циркуляции электролита; - применение пористых наружных поверхностей, имеющих гидрофобные, гидрофильные или гигроскопические зоны, причем поры поверхностей гидрофобны для поддержания газовых каналов открытыми, а наружные поверхности гигроскопичны; - совмещение электрических межсоединений и сквозных проточных пор для воды в один элемент: - применение тонких пленок благородных металлов в качестве оптимального объемного проводника; - выбор высокого значения соотношения изолятор - проводник по всему элементу для получения свойств, прерывающих шунтирование; - способность маленьких металлических наконечников электродов действовать на расплавляющиеся вставки; - возможность обратимой трансформации элемента в электролизное устройство; - геометрически разделенные катализаторы в микроструктуре электродов; - применение селективной проницаемости тонких пленочных электродов топливных элементов для молекулярной фильтрации реагентов; - применение селективной проницаемости топливного элемента для удаления примесей и сохранения реагентов; - применение в топливных элементах пористых материалов, обладающих свойством замедлять поток при резком изменении давления; - частичное удаление пластиковой подложки, способствующее сохранению структурной целостности элемента, блокированию молекулярной диффузии и повышению проводимости электролита.

Топливный элемент с поверхностной репликой содержит первую, центральную армированную волокном мембрану, имеющую кислородную и водородную стороны. На водородной и кислородной сторонах мембраны расположены электроды. Каждый электрод содержит первый пленочный слой катализатора, осажденный на центральной мембране, пленочный слой металла, осажденный поверх пленочного слоя катализатора, и гидрофобный пленочный слой, расположенный на пленочном слое металла. Пленочный слой катализатора отделен от центральной мембраны полостями. В полости между пленочными слоями катализатора и центральной мембраной вводится электролит. Топливный элемент содержит также первую мембрану для циркуляции воды и ее регулирования, расположенную над электродом водородной стороны, топливную магистраль, расположенную над первой мембраной циркуляции и регулирования воды и прикрепленную к электроду водородной стороны, и топливное впускное отверстие, присоединенное к топливной магистрали для подачи топлива к зоне между топливной магистралью и первой мембраной циркуляции и регулирования воды. Вторая мембрана циркуляции и регулирования воды расположена под электродом кислородной стороны. Магистраль газа-окислителя (кислорода) расположена под второй мембраной циркуляции и регулирования воды и прикреплена к электроду кислородной стороны. Впускное отверстие для газа-окислителя присоединено к магистрали газа-окислителя для подачи газа-окислителя к зоне между магистралью газа-окислителя и второй мембраной циркуляции и регулирования воды. Топливный элемент с поверхностной репликой, кроме того, содержит первый электрический контакт, присоединенный к водородному электроду, второй электрический контакт, присоединенный к кислородному электроду, и герметизирующий обод, охватывающий устройство и присоединенный к наружным краям элемента.

Центральная мембрана предпочтительно содержит волоконную матрицу, внедренную в пластиковый материал, при этом мембрана имеет мелкие поры и проникающие, в частности, сквозные каналы, проходящие сквозь мембрану. На водородной и кислородной сторонах мембраны сформированы нависающие выступы. Волоконная матрица представляет собой волоконную диэлектрическую матрицу (матрицу-изолятор) из материала, выбранного из группы, состоящей из пористой бумаги, пенопластов с открытыми порами, растянутого ПТФЭ или какого-либо другого матричного материала со структурой сетки. Пластиковый материал в мембране представляет собой предпочтительно полиуглеродный пластик или перфторированный ионообменный полимер. В порядке альтернативы основой центральной мембраны может служить волоконная матрица с внедрениями твердого вещества, такого как алюминий, которые можно удалить.

Центральная мембрана имеет поры и проникающие сквозные каналы, проходящие через мембрану. Электроды представляют собой тонкие пленочные электроды, а пленочный катализатор (т.е. пленка катализатора) каждого электрода плотно покрывает всю наружную поверхность центральной мембраны и частично - внутренние поверхности пор и проникающих сквозных каналов. Центральная мембрана, кроме того, содержит нависающие выступы на водородной и кислородной сторонах мембраны и отверстия в электроде и электролите, под нависающими выступами, т. е. затененные ими. Содержать выступы чистыми от электролита можно с помощью ионного травления или путем осаждения на них гидрофобных пленок, таких как политетрафторэтилен (ПТФЭ).

Способ изготовления топливного элемента с поверхностной репликой согласно настоящему изобретению соответственно включает операции создания подложки внедрением пластика в волоконную матрицу, формирования треков в подложке, протравливания проникающих каналов и нависающих выступов на базе треков в подложке, формирования сквозных электролитных пор через подложку, покрытия подложки и, частично, внутренних поверхностей электролитных пор подложки материалом катализатора, осаждения проводящих пленок на катализатор и, таким образом, осаждения первого электрода на верхнюю часть подложки и второго электрода на нижнюю часть подложки, осаждения гидрофильных пленок на первый и второй электроды, отделения слоя материала катализатора от пластика подложки вытравливанием пластика из подложки в местах контакта катализатора с подложкой, ввода электролита в полости и в проникающие каналы со стороны верхней части подложки, размещения верхней пористой мембраны поверх первого электрода, размещения нижней пористой мембраны под вторым электродом, размещения магистрали газообразного топлива над верхней пористой мембраной, размещения магистрали газа-окислителя под нижней пористой мембраной, охвата по периметру наружных краев подложки, магистралей, мембран и электродов герметизирующим элементом с герметизацией таким образом наружных поверхностей и присоединения контактов к электродам на наружной стороне герметизирующих поверхностей.

В одном из вариантов осуществления способа по изобретению операция формирования электролитных пор через подложку дополнительно включает облучение подложки заряженными частицами и протравливание сформированных облучением пор. При этом может быть предусмотрено по меньшей мере однократное повторение операций облучения подложки и протравливания пор.

Согласно еще одному из вариантов способа по изобретению операция формирования треков в подложке дополнительно включает операции 20 диафрагмирования подложки маской, причем маска имеет переменную толщину, и бомбардировки маски заряженными частицами, при этом операция бомбардировки включает бомбардировку самых тонких участков маски для создания сквозных каналов и бомбардировку средних по толщине участков маски для создания нависающих выступов. Операцию ввода электролита в полости и проникающие каналы осуществляют после операции формирования электролитных пор через подложку, но до операции осаждения первого электрода на верхнюю часть подложки и второго электрода на нижнюю часть подложки.

В одном из вариантов осуществления изобретения, вместо нависающих выступов, таких как в случае центральной мембраны в виде диэлектрической мембраны с однородно коллимированными порами, внедренной в твердый электролит, такой как перфторированный ионообменный полимер, разрывами между элементами является поверхность, очищенная от электролита и электродов для разделения элементов. Для очистки поверхности от электролита и осажденных металлических покрытий могут быть применены ионное травление или лазерная абляция. Чтобы поддерживать разделительные участки элемента чистыми при осаждении катализаторов и металлических покрытий, можно эти операции проводить с использованием маски. В зонах разделения элементов для поддержания их чистыми от воды и электролита может быть применено осаждение пленок ПТФЭ. В этом варианте осуществления сквозные контакты между элементами формируются путем проникновения электродных металлических осажденных покрытий через электроды или, если это возможно применительно к маленьким топливным элементам, путем осаждения металла по всему периметру мембраны. Для очистки или формирования сквозных отверстий под контакты применяют ионное травление или лазерное сверление.

Пленочный слой металла для электрода изготавливают из объемного металлического материала, выбранного из группы, состоящей из золота, платины, палладия, рутения, графита, алмаза, легированного бором, тугоплавких металлов и электропроводных соединений тугоплавких металлов.

Каждый пленочный слой металла представляет собой объемный проводящий пленочный слой металла, покрывающий внутренние поверхности проникающих сквозных каналов и осуществляющий таким образом электрический контакт с нижележащим пленочным слоем катализатора. Электроды проницаемы для газообразного топлива и газа-окислителя. В одном из вариантов осуществления пленочный слой металла на водородной стороне мембраны селективно проницаем, в частности, полупроницаем; на кислородной стороне мембраны - селективно проницаем. Соответствующий вариант осуществления способа по изобретению предусматривает, что операци