Блок топливных элементов на твердом полимерном электролите, батарея топливных элементов и способ эксплуатации блока топливных элементов

Блок топливных элементов на твердом полимерном электролите, батарея топливных элементов и способ эксплуатации блока топливных элементов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Настоящее изобретение относится к блоку топливных элементов на твердом полимерном электролите, включающему в свой состав множество единичных топливных элементов, уложенных в штабель, причем каждый из единичных топливных элементов имеет рабочий элемент, образованный мембраной из твердого полимерного электролита, установленной между анодом и катодом, а также к батарее топливных элементов, полученной в результате укладки блоков топливных элементов на твердом полимерном электролите в штабель, и способу эксплуатации блока топливных элементов на твердом полимерном электролите.

Предшествующий уровень техники

В общем случае, топливный элемент на твердом полимерном электролите (PEFC) включает в свой состав единичный топливный элемент (единичный генератор электроэнергии), образованный в результате размещения анода и катода, каждый из которых выполнен в основном из углерода, по обе стороны от мембраны из электролита, представляющей собой полимерную ионообменную мембрану (катионообменную мембрану), образующих основной рабочий элемент (мембранно-электродный узел) и установки полученного рабочего элемента между разделителями (биполярными пластинами). Топливный элемент на твердом полимерном электролите, как правило, используется в качестве батареи топливных элементов, имеющей в своем составе определенное количество единичных топливных элементов.

В топливном элементе этого типа при подаче газообразного топлива, например газа, главным образом содержащего водород (в дальнейшем называемого "водородсодержащий газ"), к аноду водород в водородсодержащем газе ионизируется на катализаторном электроде и мигрирует к катоду через электролит, а электроны, полученные при такой электрохимической реакции, экстрагируются во внешнюю цепь и используются как электрическая энергия в форме постоянного электрического тока. В этом случае, поскольку газообразный окислитель, например газ, главным образом содержащий кислород или воздух (в дальнейшем называемый "кислородсодержащий газ") подается к катоду, то водородные ионы, электроны и кислород реагируют друг с другом и в результате на катоде образуется вода.

В тех случаях, когда батарея топливных элементов используется как источник электроэнергии на транспортном средстве, то от этой батареи топливных элементов требуется относительно большая выходная мощность. Для выполнения такого требования используется конструкция, позволяющая увеличить площадь плоскости реакции (плоскости, генерирующей электроэнергию) в единичном топливном элементе, или конструкция, обеспечивающая возможность укладки большого количества единичных топливных элементов в штабель.

Однако недостаток первой из указанных конструкций заключается в том, что при больших размерах каждого единичного топливного элемента габариты батареи топливных элементов также становятся большими и такая большая батарея топливных элементов является неподходящим источником электроэнергии для транспортного средства. Соответственно, большее распространение получила другая конструкция с возможностью укладки большого количества относительно компактных единичных топливных элементов в штабель. Однако при большом количестве уложенных в штабель единичных топливных элементов в направлении укладки возникает градиент температур, а также происходит ухудшение стока воды, являющейся продуктом электрохимической реакции, что не позволяет гарантировать требуемую характеристику выработки электроэнергии.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Технической задачей, решаемой настоящим изобретением, является разрешение описанных выше проблем и создание блока топливных элементов на твердом полимерном электролите, имеющего простую конструкцию и позволяющего достичь эффективного улучшения характеристики выработки электроэнергии каждого единичного топливного элемента и уменьшения размеров блока топливных элементов, а также батареи топливных элементов, полученной в результате укладки таких блоков топливных элементов в штабель.

Другой задачей настоящего изобретения является создание способа эксплуатации блока топливных элементов на твердом полимерном электролите, обеспечивающего эффективную выработку электроэнергии каждым единичным топливным элементом, улучшение дренажной характеристики и т.п.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается блок топливных элементов на твердом полимерном электролите, включающий в свой состав множество единичных топливных элементов, уложенных в штабель, каждый из которых имеет основной рабочий элемент, образованный мембраной из твердого полимерного электролита, установленной между анодом и катодом, отличающийся тем, что по меньшей мере два из множества единичных топливных элементов имеют конструктивные отличия. Такое конструктивное решение позволяет получить оптимальную конструкцию для протекания реакции в каждом единичном топливном элементе и, следовательно, эффективно увеличить выработку электроэнергии.

В описанном выше блоке топливных элементов по меньшей мере в двух из множества единичных топливных элементов могут быть выполнены группы каналы для химически активных газов, обеспечивающие возможность прохождения газообразного топлива и/или газообразного окислителя как химически активных газов, и площади поперечного сечения групп каналов для химически активных газов могут отличаться друг от друга. Такая конструкция обеспечивает возможность уравнивания реакции на плоскости реакции одного единичного топливного элемента с реакцией на плоскости реакции другого единичного топливного элемента даже в случае снижения количество химически активного газа вследствие электрохимической реакции.

Площади поперечного сечения разных групп каналов для химически активных газов могут отличаться друг от друга за счет различия глубины, ширины и/или количества самих каналов для химически активных газов одной из групп каналов. Такая конструкция в результате уменьшения глубины каналов обеспечивает возможность уменьшения толщины единичных топливных элементов и, следовательно, позволяет осуществить миниатюризацию блока топливных элементов в целом. Кроме того, уменьшение ширины каналов или количества самих каналов позволяет увеличить площадь контактной области между двумя соседними единичными топливными элементами и, следовательно, снизить контактное сопротивление.

Группы каналов для химически активных газов, обеспечивающих возможность прохождения газообразного топлива и/или газообразного окислителя как химически активных газов, могут быть выполнены по меньшей мере в двух из множества единичных топливных элементов и иметь взаимно различную длину. Такая конструкция позволяет снизить давление в единичном топливном элементе с более длинными каналами для химически активного газа и поэтому обеспечивает возможность улучшения стока воды, образующейся в единичном топливном элементе.

Группы каналов для химически активных газов, обеспечивающих возможность прохождения газообразного топлива и/или газообразного окислителя как химически активных газов, могут быть выполнены по меньшей мере в двух из множества единичных топливных элементов и иметь взаимно различную форму. Например, придание одной из групп каналов для химически активного газа формы прямых линий и придание другой из групп каналов для химически активного газа формы меандра позволяет получить оптимальную структуру для реакции в каждом единичном топливном элементе.

По меньшей мере два из множества единичных топливных элементов могут включать в свой состав различные рабочие элементы. Например, в составе по меньшей мере двух единичных топливных элементов один из рабочих элементов, размещенный ниже по направлению потока химически активного газа, протекающего по каналам для химически активного газа, может иметь более высокую термостойкость, чем другой, размещенный выше по направлению потока химически активного газа. Это обусловлено тем, что температура рабочего элемента, размещенного ниже по направлению потока химически активного газа, становится более высокой, чем температура рабочего элемента, размещенного выше по направлению потока химически активного газа. В частности, в составе по меньшей мере двух единичных топливных элементов один из рабочих элементов, размещенный со стороны относительно низкой температуры, может содержать мембрану на основе фтора, а другой, размещенный со стороны относительно высокой температуры, - мембрану на основе углеводорода. Поскольку рабочий элемент, размещенный ниже, имеющий более высокую температуру, чем рабочий элемент, размещенный выше, включает в свой состав мембрану на основе углеводорода, имеющую высокую термостойкость, то такая конструкция позволяет увеличить период нормальной эксплуатации этого рабочего элемента.

В блоке топливных элементов каналы для химически активных газов, обеспечивающие возможность протекания газообразного топлива и/или газообразного окислителя как химически активных газов во множестве единичных топливных элементов, выполнены так, что по меньшей мере некоторые из них соединены друг с другом последовательно. Здесь формулировка "по меньшей мере некоторые" означает по меньшей мере две или более группы из множества групп каналов для химически активного газа или по меньшей мере часть каналов из каждой группы каналов для химически активного газа.

Такая конструкция обеспечивает возможность уравнивания влажности в одном единичном топливном элементе с влажностью в другом единичном топливном элементе только за счет увеличения расхода химически активного газа, подаваемого в блок топливных элементов. Это позволяет достичь уравнивания распределений плотности тока во множестве единичных топливных элементов и, следовательно, снижения концентрационного перенапряжения. Кроме того, обеспечивается возможность эффективного стока воды, образующейся в каждом единичном топливном элементе, только за счет увеличения расхода химически активного газа, подаваемого в блок топливных элементов и, следовательно, возможность улучшения дренажной характеристики блока топливных элементов в целом.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается батарея топливных элементов, включающая в свой состав множество блоков топливных элементов, уложенных в штабель, отличающаяся тем, что каждый из множества блоков топливных элементов включает в свой состав множество единичных топливных элементов, уложенных в штабель, каждый из которых имеет рабочий элемент, образованный мембраной из твердого полимерного электролита, установленной между анодом и катодом, причем по меньшей мере два из множества единичных топливных элементов имеют конструктивные отличия друг от друга.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается способ эксплуатации блока топливных элементов на твердом полимерном электролите, отличающийся тем, что по меньшей мере два из множества блоков топливных элементов работают во взаимно различных условиях. В частности, что температура одного из по меньшей мере двух единичных топливных элементов (размещенного ниже по направлению потока химически активного газа) может быть задана более высокой, чем температура другого из по меньшей мере двух единичных топливных элементов (размещенного выше по направлению потока химически активного газа). Ниже по направлению потока химически активного газа образуется большое количество воды, однако в соответствии с такой конструкцией в результате повышения температуры единичного топливного элемента, размещенного ниже, обеспечивается возможность улучшения его дренажной характеристики.

Скорость потока химически активного газа, протекающего в одном из по меньшей мере двух единичных топливных элементов (размещенном ниже по направлению потока химически активного газа), может быть задана более высокой, чем скорость потока химически активного газа, протекающего в другом из по меньшей мере двух единичных топливных элементов (размещенном выше по направлению потока химически активного газа). Такая конструкция обеспечивает возможность гарантированного стока воды, образующейся в большом количестве ниже по направлению потока.

Влажность во впускном отверстии для химически активного газа одного из по меньшей мере двух единичных топливных элементов (размещенного ниже по направлению потока химически активного газа) может быть задана более низкой, чем влажность в выпускном отверстии для химически активного газа другого из по меньшей мере двух единичных топливных элементов (размещенного выше по направлению потока химически активного газа). Такая конструкция обеспечивает возможность беспрепятственного стока воды, образующейся ниже по направлению потока.

Коэффициент использования химически активного газа в одном из по меньшей мере двух единичных топливных элементов (размещенном ниже по направлению потока химически активного газа) может быть задан более высоким, чем коэффициент использования химически активного газа в другом из по меньшей мере двух единичных топливных элементов (размещенном выше по направлению потока химически активного газа). Такая конструкция обеспечивает возможность повышения коэффициента использования химически активного газа в блоке топливных элементов в целом.

Указанные выше цели, особенности и преимущества настоящего изобретения становятся более очевидными из следующего ниже описания, сопровождаемого ссылками на чертежи, на которых предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения иллюстрируются примерами.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 - пространственное изображение основной части блока топливных элементов на твердом полимерном электролите, соответствующего первому примеру осуществления настоящего изобретения, в разобранном виде;

фиг.2 - схематическое пространственное изображение батареи топливных элементов;

фиг.3 - вид основной части блока топливных элементов в разрезе;

фиг.4 - вид спереди первого разделителя в составе блока топливных элементов;

фиг.5 - изображение потоков газообразного окислителя, газообразного топлива и хладоносителя в блоке топливных элементов;

фиг.6 - вид каналов топливных элементов в разрезе, имеющих разные площади поперечного сечения за счет разной глубины;

фиг.7 - вид каналов топливного элемента в разрезе, имеющих разные площади поперечного сечения за счет разной ширины;

фиг.8 - вид каналов топливных элементов в разрезе, имеющих разные площади поперечного сечения за счет разного количества самих каналов;

фиг.9 - пространственное изображение блока топливных элементов с меняющейся длиной каналов в разобранном виде;

фиг.10 - график температуры катодов в первом и втором единичных топливных элементах;

фиг.11 - график относительной влажности катодов в первом и втором единичных топливных элементах;

фиг.12 - пространственное изображение основной части блока топливных элементов на твердом полимерном электролите, соответствующего второму примеру осуществления настоящего изобретения, в разобранном виде;

фиг.13 - пространственное изображение основной части блока топливных элементов на твердом полимерном электролите, соответствующего третьему примеру осуществления настоящего изобретения, в разобранном виде;

фиг.14 - вид спереди первого разделителя в составе блока топливных элементов;

фиг.15 - изображение потоков газообразного окислителя, газообразного топлива и хладоносителя в блоке топливных элементов, соответствующем третьему примеру осуществления;

фиг.16 - пространственное изображение основной части блока топливных элементов на твердом полимерном электролите, соответствующего четвертому примеру осуществления настоящего изобретения, в разобранном виде;

фиг.17 - пространственное изображение основной части блока топливных элементов на твердом полимерном электролите, соответствующего пятому примеру осуществления настоящего изобретения, в разобранном виде;

фиг.18 - изображение потоков газообразного окислителя, газообразного топлива и хладоносителя в блоке топливных элементов, соответствующем пятому примеру осуществления настоящего изобретения;

фиг.19 - пространственное изображение основной части блока топливных элементов на твердом полимерном электролите, соответствующего шестому примеру осуществления настоящего изобретения, в разобранном виде; и

фиг.20 - изображение потоков газообразного окислителя, газообразного топлива и хладоносителя в блоке топливных элементов, соответствующем третьему примеру осуществления настоящего изобретения;

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

На Фиг.1 представлено пространственное изображение основной части блока топливных элементов на твердом полимерном электролите 10, соответствующего первому примеру осуществления настоящего изобретения, в разобранном виде, а на Фиг.2 - схематическое пространственное изображение батареи топливных элементов 12, полученной в результате укладки множества групп блоков топливных элементов 10 в штабель.

Как показано на Фиг.1, блок топливных элементов 10 включает в свой состав первый единичный топливный элемент 14 и второй единичный топливный элемент 16, которые уложены в штабель. Первый единичный топливный элемент 14 имеет первый рабочий элемент 18, а второй единичный топливный элемент 16 - второй рабочий элемент 20.

Первый рабочий элемент 18 имеет катод 24а и анод 26а, между которыми размещена мембрана из твердого полимерного электролита 22а, а второй рабочий элемент 20 имеет катод 24b и анод 26b, между которыми размещена мембрана из твердого полимерного электролита 22b. Каждый из катодов 24а, 24b и анодов 26а, 26b получен в результате образования катализаторного электродного слоя из благородного металла на подложке, выполненной в основном из углерода, и последующего формирования пористого газодиффузионного слоя из пористой копировальной бумаги или т. п.

Как показано на Фиг.1 и 3, первый разделитель 28 установлен со стороны катода 24а первого рабочего элемента 18, а второй разделитель 30 - со стороны анода 26b второго рабочего элемента 20. Между первым и вторым рабочими элементами 18 и 20 размещен промежуточный разделитель 32. Со стороны внешней поверхности каждого из разделителей 28 и 30 (первого и второго) установлена тонкостенная пластина (перегородка) 34.

Как показано на Фиг.1, на одном краевом участке в направлении длинной стороны первый и второй рабочие элементы 18, 20, первый и второй разделители 28, 30, а также промежуточный разделитель 32 имеют впускное отверстие для газообразного окислителя 36а, выпускное отверстие для газообразного окислителя 36b и промежуточное соединительное отверстие для газообразного топлива 38. Впускное отверстие для газообразного окислителя 36а и выпускное отверстие для газообразного окислителя 36Ь обеспечивают возможность прохождения газообразного окислителя (химически активного газа), например кислородсодержащего газа или воздуха. Промежуточное соединительное отверстие для газообразного топлива 38 обеспечивает возможность прохождения газообразного топлива (химически активного газа), например водородсодержащего газа. Впускные отверстия для газообразного окислителя 36а (выпускные отверстия для газообразного окислителя 36b и промежуточные соединительные отверстия для газообразного топлива 38), выполненные в компонентах топливных элементов 18, 20, 28, 30 и 32, соединены друг с другом в направлении укладки (показанном стрелкой А) первого и второго единичных топливных элементов 14,16.

На другом краевом участке в направлении длинной стороны первый и второй рабочие элементы 18, 20, первый и второй разделители 28, 30, а также промежуточный разделитель 32 имеют промежуточное соединительное отверстие для газообразного окислителя 40, впускное отверстие для газообразного топлива 42а, выпускное отверстие для газообразного топлива 42b, впускное отверстие для хладоносителя 44а и выпускное отверстие для хладоносителя 44b. Промежуточное соединительное отверстие для газообразного окислителя 40 обеспечивает возможность прохождения газообразного окислителя. Впускное отверстие для газообразного топлива 42а и выпускное отверстие для газообразного топлива 42b обеспечивают возможность прохождения газообразного топлива. Впускное отверстие для хладоносителя 44а и выпускное отверстие для хладоносителя 44b обеспечивают возможность прохождения хладоносителя. Промежуточные соединительные отверстия для газообразного окислителя 40 (впускные отверстия для газообразного топлива 42а, выпускное отверстия для газообразного топлива 42b, впускные отверстия для хладоносителя 44а и выпускные отверстия для хладоносителя 44b), выполненные в компонентах топливных элементов 18, 20, 28, 30 и 32, соединены друг с другом в направлении А.

Первый разделитель 28 выполнен в виде металлического листа. Участок этого металлического листа, обращенный к плоскости реакции (плоскости, генерирующей электроэнергию) первого рабочего элемента 18, сформирован с выступами и впадинами, например в виде рифленой поверхности. В частности, как показано на Фиг.3 и 4, первый разделитель 28 имеет со стороны поверхности, обращенной к катоду 24а первого рабочего элемента 18, множество каналов для газообразного окислителя (каналов для химически активного газа) 46. Каналы для газообразного окислителя 46 выполнены в форме прямых линий в направлении длинной стороны (показанном стрелкой В). Одни концы каналов для газообразного окислителя 46 соединены с впускньм отверстием для газообразного окислителя 36а, а другие концы - с промежуточным соединительньм отверстием для газообразного окислителя 40.

Как показано на Фиг.1 и 3, первый разделитель 28 также имеет со стороны поверхности, обращенной к одной поверхности перегородки 34, множество каналов для хладоносителя 48. Каналы для хладоносителя 48 выполнены в форме прямых линий в направлении длинной стороны (показанной стрелкой В). Одни концы каналов для хладоносителя 48 соединены с впускным отверстием для хладоносителя 44а, а другие концы - соединены с выпускным отверстием для хладоносителя 44b со стороны другой поверхности перегородки 34 через отверстие 50 в перегородке 34, используемое в качестве промежуточного возвратного отверстия, которое изготавливают в перегородке 34 или в другом элементе.

Второй разделитель 30 выполнен по существу подобным первому разделителю 28. Второй разделитель 30 имеет со стороны поверхности, обращенной к аноду 26b второго рабочего элемента 20, множество каналов для газообразного топлива (каналов для химически активного газа) 52. Каналы для газообразного топлива 52 выполнены в форме прямых линий в направлении длинной стороны (показанном стрелкой В). Одни концы каналов для газообразного топлива 52 соединены с промежуточным соединительным отверстием для газообразного топлива 38, а другие концы - с выпускным отверстием для газообразного топлива 42b. Второй разделитель 30 также имеет со стороны поверхности, обращенной к перегородке 34 соседнего блока топливных элементов 10, множество каналов для хладоносителя 54. Каналы для хладоносителя 54 выполнены в форме прямых линий в направлении длинной стороны (показанном стрелкой В), причем концы этих каналов соединены с выпускным отверстием для хладоносителя 44b.

Промежуточный разделитель 32 выполнен по существу подобным первому и второму разделителям 28, 30. Промежуточный разделитель 32 имеет со стороны поверхности, обращенной к аноду 26а первого рабочего элемента 18, множество каналов для газообразного топлива (каналов для химически активного газа) 56. Каналы для газообразного топлива 56 выполнены в форме прямых линий в направлении длинной стороны (показанном стрелкой В). Одни концы каналов для газообразного топлива 56 соединены с впускным отверстием для газообразного топлива 42а, а другие концы - с промежуточным соединительным отверстием для газообразного топлива 38.

Как показано на Фиг.3, промежуточный разделитель 32 также имеет со стороны поверхности, обращенной к катоду 24b второго рабочего элемента 20, множество каналов для газообразного окислителя (каналов для химически активного газа) 58. Каналы для газообразного окислителя 58 выполнены в форме прямых линий в направлении длинной стороны (показанном стрелкой В). Одни концы каналов для газообразного окислителя 58 соединены с промежуточным соединительным отверстием для газообразного окислителя 40, а другие концы - с выпускным отверстием для газообразного окислителя 36b.

Площади поперечного сечения каналов для газообразного окислителя 46 и 58, выполненных последовательно в первом и втором единичных топливных элементах 14, 16, отличаются друг от друга. Площади поперечного сечения каналов для газообразного топлива 56 и 52, выполненных последовательно в первом и втором единичных топливных элементах 14, 16, также отличаются друг от друга. Как показано на Фиг.3, площадь поперечного сечения каждого канала для газообразного окислителя 58 со стороны выпускного отверстия меньше, чем площадь поперечного сечения каждого канала для газообразного окислителя 46 со стороны впускного отверстия, а площадь поперечного сечения каждого канала для газообразного топлива 52 со стороны выпускного отверстия меньше, чем площадь поперечного сечения каждого канала для газообразного топлива 56 со стороны впускного отверстия.

Определенное количество секций из блоков топливных элементов 10, выполненных подобным образом, как показано на Фиг.2, уложено в направлении А в штабель, скрепленный с помощью фиксирующего устройства (не показанного). На обоих краях секций из блоков топливных элементов 10 в направлении А через собирающие электроды 60а и 60b установлены разнесенные концевые пластины 62а и 62b, стянутые с помощью анкерных болтов (не показанных) или аналогичных устройств. Таким образом получают батарею топливных элементов 12.

Концевая пластина 62а имеет на одном краевом участке в направлении длинной стороны отверстие для подачи газообразного окислителя 64а, соединяющееся с впускными отверстиями для газообразного окислителя 36a, и отверстие для сброса газообразного окислителя 64b, соединяющееся с выпускными отверстиями для газообразного окислителя 36b. На другом краевом участке концевой пластины 62а в направлении длинной стороны выполнены отверстие для подачи газообразного топлива 66а, соединяющееся с впускными отверстиями для газообразного топлива 42а, отверстие для сброса газообразного топлива 66b, соединяющееся с выпускными отверстиями для газообразного топлива 42b, отверстие для подачи хладоносителя 68а, соединяющееся с впускными отверстиями для хладоносителя 44а, и отверстие для сброса хладоносителя 68b, соединяющееся с выпускными отверстиями для хладоносителя 44b.

Описание работы батареи топливных элементов 12 и блока топливных элементов 10, имеющих описанную выше конструкцию, приводится ниже.

В батарею топливных элементов 12 газообразное топливо типа водородсодержащего газа подается из отверстия для подачи газообразного топлива 66а, газообразный окислитель типа воздуха или кислородсодержащего газа подается из отверстия для подачи газообразного окислителя 64а, а хладоноситель типа чистой воды, этиленгликоля или масла подается из отверстия для подачи хладоносителя 68а. Следовательно, газообразное топливо, газообразный окислитель и хладоноситель последовательно подаются во множество блоков топливных элементов 10, уложенных в направлении А в штабель.

Как показано на Фиг.5, газообразный окислитель, подаваемый во впускные отверстия для газообразного окислителя 36а, соединенные друг с другом в направлении А, вводится во множество каналов для газообразного окислителя 46, выполненных в первом разделителе 28, и перемещается вдоль катода 24а первого рабочего элемента 18. В то же время газообразное топливо, подаваемый во впускные отверстия для газообразного топлива 42а, соединенные друг с другом в направлении А, вводится во множество каналов для газообразного топлива 56, выполненных в промежуточном разделителе 32, и перемещается вдоль анода 26а первого рабочего элемента 18. Поэтому в первом рабочем элементе 18 газообразный окислитель, подаваемый к катоду 24а, и газообразное топливо, подаваемое к аноду 26а, расходуются вследствие электрохимической реакции в катализаторных слоях, в результате которой вырабатывается электроэнергия.

Газообразный окислитель, часть которого была израсходована в первом рабочем элементе 18, вводится из каналов для газообразного окислителя 46 в промежуточное соединительное отверстие для газообразного окислителя 40 первого рабочего элемента 18, перемещается в направлении А через промежуточные соединительные отверстия для газообразного окислителя 40 первого рабочего элемента 18 и промежуточного разделителя 32 и вводится в каналы для газообразного окислителя 58, выполненные в промежуточном разделителе 32. Этот газообразный окислитель, введенный в каналы для газообразного окислителя 58, далее перемещается вдоль катода 24b второго рабочего элемента 20.

Точно так же газообразное топливо, часть которого была израсходована на аноде 26а первого рабочего элемента 18, вводится в промежуточное соединительное отверстие для газообразного топлива 38 промежуточного разделителя 32, перемещается в направлении А через промежуточные соединительные отверстия для газообразного топлива 38 промежуточного разделителя 32 и второго рабочего элемента 20, вводится в каналы для газообразного топлива 52, выполненные во втором разделителе 30, и далее перемещается вдоль анода 26b второго рабочего элемента 20. Поэтому во втором рабочем элементе 20 газообразный окислитель и газообразное топливо расходуются вследствие электрохимической реакции в катализаторных слоях, в результате которой вырабатывается электроэнергия. Газообразный окислитель с израсходованным кислородом сбрасывается в выпускное отверстие для газообразного кислорода 36b второго разделителя 30, а газообразное топливо с израсходованным водородом сбрасывается в выпускное отверстие для газообразного топлива 42b второго разделителя 30.

С другой стороны, хладоноситель, подаваемый во впускное отверстие для хладоносителя 44а первого разделителя 28, перемещается по каналам для хладоносителя 48, выполненным в первом разделителе 28, возвращается из отверстия 50 в перегородке 34 и перемещается по каналам для хладоносителя 54, выполненным во втором разделителе 30 соседнего блока топливных элементов 10, и сбрасывается в выпускное отверстие для хладоносителя 44b второго разделителя 30.

В соответствии с первым примером осуществления площадь поперечного сечения каждого канала для газообразного окислителя 46 отличается от площади поперечного сечения каждого канала для газообразного окислителя 58, а площадь поперечного сечения каждого канала для газообразного топлива 56 отличается от площади поперечного сечения каждого канала для газообразного топлива 52. В частности, как показано на Фиг.3, площадь поперечного сечения канала для газообразного окислителя 58 со стороны выпускного отверстия меньше, чем площадь поперечного сечения канала для газообразного окислителя 46 со стороны впускного отверстия, а площадь поперечного сечения канала для газообразного топлива 52 со стороны выпускного отверстия меньше, чем площадь поперечного сечения канала для газообразного топлива 56 со стороны впускного отверстия. В процессе перемещения окисляющего и топливного газов в сторону выпускных отверстий они расходуются вследствие электрохимической реакции и их количество уменьшается. Однако, в соответствии с первым примером осуществления, поскольку площади поперечного сечения каналов для газообразного окислителя 58 и каналов для газообразного топлива 52 со стороны выпускных отверстий меньше, чем площади поперечного сечения каналов для газообразного окислителя 46 и каналов для газообразного топлива 56 со стороны впускных отверстий, то может быть достигнуто уравнивание реакции на плоскости реакции второго рабочего элемента 20 с реакцией на плоскости реакции первого рабочего элемента 18.

Различие площадей поперечного сечения каналов для газообразного окислителя 46 и каналов для газообразного окислителя 58 может быть обеспечено за счет изменения глубины, ширины или количества самих каналов 46 и 58. Точно так же различие площадей поперечного сечения каналов для газообразного топлива 56 и каналов для газообразного топлива 52 может быть обеспечено за счет изменения глубины, ширины или количества самих каналов 56 и 52.

В примере, показанном на Фиг.6, глубина каждого канала для газообразного окислителя 58а, выполненного в промежуточном пластинчатом разделителе 32а, задана меньшей, чем глубина каждого канала для газообразного окислителя 46а, выполненного в первом пластинчатом разделителе 28а, а глубина каждого канала для газообразного топлива 52а, выполненного во втором пластинчатом разделителе 30а, задана меньшей, чем глубина каждого канала для газообразного топлива 56а, выполненного в промежуточном пластинчатом разделителе 32а. Такая конструкция обеспечивает возможность уменьшения толщины каждого из единичных топливных элементов 14 и 16 и, таким образом, позволяет без труда осуществить миниатюризацию блока топливных элементов 10 в целом.

В примере, показанном на Фиг.7, ширина каждого канала для газообразного топлива 52b, сформированного во втором пластинчатом разделителе 30b, со стороны выпускного отверстия меньше, чем ширина каждого канала для газообразного топлива 56b, сформированного в промежуточном разделителе 32b, со стороны впускного отверстия. Такая конструкция обеспечивает возможность увеличения площади контактной области между первым и вторым единичными топливными элементами 14, 16 и, таким образом, позволяет снизить контактное сопротивление. То же самое, хоть и не продемонстрировано, относится и к каналам для газообразного окислителя.

В примере, показанном на Фиг.8, количество каналов для газообразного окислителя 58с, выполненных в промежуточном пластинчатом разделителе 32с, со стороны выпускного отверстия меньше, чем количество каналов для газообразного окислителя 46с, выполненных в первом пластинчатом разделителе 28с, со стороны впускного отверстия, и точно так же количество каналов для газообразного топлива 52с, выполненных во втором пластинчатом разделителе 30с, со стороны выпускного отверстия меньше, чем количество каналов для газообразного топлива 56с, выполненных в промежуточном разделителе 32с, со стороны впускного отверстия. Такая конструкция, подобно примеру, показанному на Фиг.7, обеспечивает возможность эффективного увеличения площади контактной области между первым и вторым единичными топливными элементами 14, 16.

С целью улучшения дренажных характеристик первого и второго единичных топливных элементов 14, 16 длина газовых каналов во втором единичном топливном элементе 16 со стороны выпускного отверстия может быть задана большей, чем длина газовых каналов в первом единичном топливном элементе 14 со стороны впускного отверстия. Со стороны выпускного отверстия образуется большее количество воды, однако в соответствии с описанной выше конструкцией, так как длина газовых каналов со стороны выпускного отверстия больше, то в них со стороны выпускного отверстия происходит снижение давления. Таким образом обеспечивается улучшение стока образующейся воды.

В частности, как показано на Фиг.9, на промежуточном разделителе 32 выполнены каналы для газообразного топлива 56 в форме прямых линий, а на втором разделителе 30d выполнены каналы для газообразного топлива 52d в форме меандра. В результате, достигается эффективное увеличение длины каналов для газообразного топлива 52d со стороны выпускного отверстия по сравнению с длиной каналов для газообразного топлива 56 со стороны впускного отверстия. Вместо каналов для газообразного топлива 52d в форме меандра могут быть использованы каналы для газообразного топлива изогнутой или криволинейной формы.

В соответствии с первым примером осуществления блок топливных элементов 10 представляет собой самостоятельное изделие, полученное из множества единичных топливных элементов, например единичных топливных элементов 14 и 16, поэтому в результате использования блока топливных элеме