Топливный элемент

Топливный элемент

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область применения изобретения

Настоящее изобретение имеет отношение к созданию топливного элемента. Более конкретно, настоящее изобретение имеет отношение к созданию топливного элемента PEFC (топливного элемента с полимерным электролитом), в котором улучшено удаление вырабатываемой воды.

Предпосылки к созданию изобретения

PEFC содержит слой комплекта мембрана - электрод (МЕА) и сепаратор. МЕА содержит электролитную мембрану ионообменной мембраны и два электрода, расположенные на противоположных сторонах мембраны. Два электрода включают в себя анод, расположенный на одной стороне мембраны и содержащий первый слой катализатора, и катод, расположенный на другой стороне мембраны и содержащий второй слой катализатора. Сепаратор содержит канал топливного газа, образованный в нем для подачи топливного газа (например, водорода) к аноду, или канал газообразного окислителя для подачи газообразного окислителя (например, кислорода, а обычно воздуха) к катоду, и/или канал охладителя, образованный в нем для того, чтобы охладитель (обычно охлаждающая вода) мог протекать через канал охладителя. Слой газовой диффузии может быть расположен между МЕА и сепаратором на стороне анода и на стороне катода МЕА.

На стороне анода каждого элемента происходит реакция, в которой водород превращается в ионы водорода (то есть протоны) и электроны. Ионы водорода движутся через электролитную мембрану к катоду, где ионы водорода вступают в реакцию с подводимым кислородом, а электроны, которые генерируются у анода смежного МЕА и движутся к катоду данного МЕА через сепаратор или которые генерируются у анода топливного элемента, расположенного на одном конце батареи топливных элементов, и движутся к катоду топливного элемента, расположенному на другом конце батареи топливных элементов (через цепь внешней нагрузки), с образованием воды следующим образом:

У анода: Н₂→2Н⁺+2 е^-

У катода: 2Н⁺+2е^-+(1/2)О₂→Н₂О

Количество вырабатываемой воды увеличивается на участке ниже по течению канала газообразного окислителя, что может вызывать затопление. В области затопления подача газообразного окислителя к катоду затрудняется, и описанная выше реакция не может протекать гладко. В результате ухудшается характеристика выработки электроэнергии (снижается выработка электроэнергии). Следовательно, важным является удаление вырабатываемой воды, за счет чего исключается затопление.

Аналогичная проблема возникает в канале топливного газа, так как часть воды, имеющаяся в канале газообразного окислителя, движется через электролитную мембрану в канал топливного газа. Для того, чтобы описанная выше реакция могла протекать гладко, электролитная мембрана должна быть смочена должным образом, причем газообразный окислитель и топливный газ должны быть увлажнены до их поступления в топливный элемент. Следовательно, при этом повышается вероятность затопления

В патенте Японии No. HEI 11-508726 раскрыто, что весь сепаратор целиком изготовлен из пористого материала, причем вода, выработанная у катода, проталкивается через пористый сепаратор в канал охлаждающей воды, так что затопление исключается.

Однако в топливном элементе, в котором вода, выработанная у катода, проталкивается в канал охлаждающей воды, в таком как элемент, описанный в патенте Японии No. HEI 11-508726, возникает ряд следующих проблем:

В том случае, когда охлаждающая вода представляет собой антифриз, некоторые компоненты охладителя могут повредить электролитную мембрану, когда охладитель движется в канал газообразного окислителя. По этой причине в топливном элементе, описанном в патенте Японии No. HEI 11-508726, используют чистую воду, так что работа топливного элемента при температурах ниже температуры замерзания невозможна. Более того, загрязнения, имеющиеся в канале газообразного окислителя, проникают через сепаратор в охлаждающую воду, так что ионная проводимость охлаждающей воды возрастает.

Кроме того, для того, чтобы заставить вырабатываемую воду двигаться к каналу охлаждающей воды и в нем, требуется управление перепадом давлений между газовым каналом и каналом охладителя, при этом система становится достаточно сложной.

Более того, так как вырабатываемая вода вытесняется в охлаждающую воду, то вырабатываемая вода не может быть использована для увлажнения газообразного реагента.

Более того, равномерное вытеснение вырабатываемой воды невозможно, так как канал окислителя содержит ребра и канавки, и поэтому характеристики пропускания вырабатываемой воды являются различными для участка с ребрами и для участка с канавками сепаратора.

Краткое изложение изобретения

Первой задачей настоящего изобретения является создание топливного элемента, в котором вырабатываемая вода может быть удалена из газового канала в другой газовый канал (а не в канал охлаждающей воды).

Второй задачей настоящего изобретения является создание топливного элемента, в котором вырабатываемая вода может быть использована повторно.

Третьей задачей настоящего изобретения является создание топливного элемента, в котором вырабатываемая вода может быть главным образом равномерно удалена в области удаления вырабатываемой воды.

Устройство в соответствии с настоящим изобретением, которое позволяет решить указанные задачи, включает в себя следующее:

(a) топливный элемент, который содержит МЕА и сепаратор. Сепаратор имеет обращенную к МЕА поверхность, где образован канал газообразного реагента. Сепаратор содержит пористый участок, имеющий поверхность, противоположную обращенной к МЕА поверхности, где образован канал охлаждающего газа;

(b) топливный элемент в соответствии с приведенным выше параграфом (а), в котором канал охлаждающего газа соединен с каналом подачи газообразного реагента, для подачи газообразного реагента в топливный элемент, на стороне ниже по течению канала охлаждающего газа;

(c) топливный элемент в соответствии с приведенным выше параграфом (а), в котором

(i) пористость ребра или ребра и участка основания ребра, газового канала пористого участка, выбранного из группы, в которую входят по меньшей мере один канал газообразного реагента и канал охлаждающего газа, выше, чем в любых других частях пористого участка, или

(ii) отношение площади поверхности ребра к площади поверхности канавки газового канала, выбранного из группы, в которую входят по меньшей мере один канал газообразного реагента и канал охлаждающего газа, меньше у пористого участка, чем на любом другом участке сепаратора, или

(iii) канал охлаждающего газа заполнен пористым материалом;

(d) топливный элемент, который содержит МЕА и сепаратор. Сепаратор имеет обращенную к МЕА поверхность, где образован канал газообразного реагента. Сепаратор содержит участок обмена воды, имеющий поверхность, противоположную обращенной к МЕА поверхности. На стороне поверхности, противоположной обращенной к МЕА поверхности, в сепараторе образован канал охлаждающего газа;

(e) топливный элемент в соответствии с приведенным выше параграфом (а), в котором по меньшей мере один участок сепаратора в направлении от боковой поверхности канала газообразного реагента к противоположной поверхности, по меньшей мере в одной области на боковой поверхности канала газообразного реагента, изготовлен из пористого материала.

В топливном элементе в соответствии с приведенным выше параграфом (а) из-за того, что пористый участок образован в сепараторе и канал охлаждающего газа образован на пористом участке у поверхности, противоположной обращенной к МЕА поверхности, где образован канал газообразного реагента, вырабатываемая вода может проходить через пористый участок из канала газообразного реагента в канал охлаждающего газа. За счет использования газа одного и того же вида в качестве газообразного реагента и охлаждающего газа, такие проблемы, как затопление и повреждение электролитной мембраны, которые могут случаться, когда охлаждающая вода поступает в газообразный реагент, не происходят, даже если охлаждающий газ поступает в канал газообразного реагента.

В топливном элементе в соответствии с приведенным выше параграфом (b), благодаря тому, что канал охлаждающего газа соединен на своей стороне ниже по течению с каналом газообразного реагента, для подачи газообразного реагента в топливный элемент, вырабатываемая вода, которая поступила в канал охлаждающего газа, втекает в канал газообразного реагента, подаваемого в топливный элемент, и используется для увлажнения газообразного реагента.

В топливном элементе в соответствии с приведенным выше параграфом (с), за счет использования по меньшей мере одной структуры с большей пористостью у ребра, чем в любой другой части пористого участка, или с большей пористостью у ребра и части основания ребра, чем в любой другой части пористого участка, меньшего отношения ребра к канавке у пористого участка, чем на любой другом участке сепаратора, и заполнения канала охлаждающего газа пористым материалом, движение вырабатываемой воды из канала газообразного реагента в канал охлаждающего газа сделано равномерным у пористого участка.

В топливном элементе в соответствии с приведенным выше параграфом (d), за счет замены пористого участка участком обмена воды, охлаждающий газ на одной стороне участка обмена воды и газообразный реагент на другой стороне участка обмена воды могут отличаться друг от друга.

В топливном элементе в соответствии с приведенным выше параграфом (е), за счет того, что по меньшей мере один участок боковой поверхности канала газообразного реагента сепаратора образован из пористого материала, улучшаются характеристики удаления воды и подвода газа к электроду у обращенной к МЕА поверхности сепаратора.

Краткое описание чертежей

Далее будет описан топливный элемент в соответствии с настоящим изобретением со ссылкой на сопроводительные чертежи.

На фиг.1 показан вид спереди топливного элемента с каналом охлаждающего газа и его контуром и каналом охлаждающей воды в соответствии с первым вариантом настоящего изобретения (который может быть применен и к другим вариантам в соответствии с настоящим изобретением).

На фиг.2 показан вид спереди топливного элемента, где можно видеть канал газообразного реагента топливного элемента, в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.3 показано поперечное сечение топливного элемента в соответствии с первым вариантом настоящего изобретения.

На фиг.4 показан вид спереди топливного элемента с газовым каналом, в том случае, когда охлаждающий газ объединен с газообразным реагентом, в соответствии с первым вариантом настоящего изобретения.

На фиг.5 показан вид спереди топливного элемента с каналом охлаждающего газа и его контуром в соответствии со вторым вариантом настоящего изобретения.

На фиг.6 показан вид спереди топливного элемента с каналом охлаждающего газа и его контуром в соответствии с третьим вариантом настоящего изобретения.

На фиг.7 показано поперечное сечение топливного элемента в соответствии с четвертым вариантом настоящего изобретения.

На фиг.8 показано поперечное сечение топливного элемента в соответствии с пятым вариантом настоящего изобретения.

На фиг.9 показано поперечное сечение топливного элемента в соответствии с шестым вариантом настоящего изобретения (по линии А-А фиг.2).

На фиг.10 показано поперечное сечение топливного элемента в соответствии с шестым вариантом настоящего изобретения (по линии В-В фиг.2).

На фиг.11 показано поперечное сечение топливного элемента в соответствии с седьмым вариантом настоящего изобретения.

На фиг.12 показано поперечное сечение топливного элемента в соответствии с восьмым вариантом настоящего изобретения.

На фиг.13 показано поперечное сечение топливного элемента в соответствии с девятым вариантом настоящего изобретения (в том случае, когда пористый материал для заполнения канала охлаждающего газа образован интегрально с пористым участком).

На фиг.14 показано поперечное сечение топливного элемента в соответствии с девятым вариантом настоящего изобретения (в том случае, когда пористый материал для заполнения канала охлаждающего газа образован раздельно от пористого участка).

На фиг.15 показан вид в перспективе топливного элемента в соответствии с десятым вариантом настоящего изобретения.

На фиг.16 показано поперечное сечение топливного элемента, у канавки газового канала, в соответствии с одиннадцатым вариантом настоящего изобретения.

На фиг.17 показано поперечное сечение топливного элемента, у ребра газового канала, в соответствии с одиннадцатым вариантом настоящего изобретения.

На фиг.18 показан вид сбоку батареи топливных элементов в соответствии с настоящим изобретением.

Подробное описание предпочтительных вариантов изобретения

Сначала будут описаны со ссылкой на фиг.1-4 и на фиг.16-18 общие или аналогичные узлы для всех вариантов в соответствии с настоящим изобретением.

Топливный элемент 10 в соответствии с настоящим изобретением представляет собой топливный элемент с полимерным электролитом (PEFC). Топливный элемент 10 установлен, например, на транспортном средстве. Однако топливный элемент 10 может быть использован и не на транспортном средстве.

Как это показано на фиг.3 и фиг.18, PEFC 10 содержит слой комплекта мембрана-электрод (МЕА) и сепаратор 18. МЕА содержит электролитную мембрану 11 ионообменной мембраны, электрод 14 (анод, топливный электрод), который содержит слой катализатора 12, расположенный на одной стороне мембраны 11, и электрод 17 (катод, воздушный электрод), который содержит слой катализатора 15, расположенный на другой стороне мембраны 11. Диффузионные слои 13 и 16 могут быть расположены между МЕА и сепараторами на стороне анода и стороне катода соответственно.

Слои МЕА и сепаратора 18 образуют единичный топливный элемент 19. По меньшей мере один топливный элемент 19 образует модуль. Множество модулей объединяют вместе в пакет, причем образуют электрические выводы 20, электрические изоляторы 21 и торцевые платы 22 на противоположных концах пакета модулей, за счет чего образуется батарея топливных элементов 23. После стягивания батареи топливных элементов между противоположными торцевыми платами 22, чтобы прижать друг к другу топливные элементы, торцевые платы 22 соединяют с элементом крепления (например, с нажимной пластиной 24), расположенным параллельно снаружи от батареи топливных элементов, при помощи болтов 25 или гаек.

Два сепаратора 18 расположены на противоположных сторонах МЕА напротив друг друга и представляют собой сепаратор стороны анода и сепаратор стороны катода. Сепаратор 18 стороны анода содержит канал 27 топливного газа, образованный в нем у обращенной к МЕА поверхности сепаратора, для подачи топливного газа (например, водорода) к аноду. Сепаратор 18 стороны катода содержит канал 28 газообразного окислителя, образованный в нем у обращенной к МЕА поверхности сепаратора, для подачи газообразного окислителя (например, кислорода, а обычно воздуха) к катоду. Как топливный газ, так и газообразный окислитель называют газообразным реагентом, и как канал 27 топливного газа, так и канал 28 газообразного окислителя называют каналами газообразного реагента. Более того, сепаратор 18 содержит канал 26 охладителя (например, охлаждающей воды), образованный в нем для пропускания потока охладителя (например, охлаждающей воды).

Каналы 27 и 28 газообразного реагента сепаратора могут быть прямолинейными каналами или извилистыми каналами. Каналы 27 и 28 газообразного реагента могут быть образованы в виде канавки или группы канавок. Канал может быть образован между множеством выступов, расположенных зигзагом.

Как это показано на фиг.1 и фиг.2, в сепараторе 18 образованы распределительный коллектор 29а охладителя (например, охлаждающей воды), выпускной коллектор 29b охладителя (например, охлаждающей воды), распределительный коллектор 30а топливного газа (например, водорода), выпускной коллектор 30b топливного газа (например, водорода), распределительный коллектор 31а газообразного окислителя (например, воздуха) и выпускной коллектор 31b газообразного окислителя (например, воздуха). Канал 26 охладителя (например, охлаждающей воды), образованный в плоскости топливного элемента, соединен с распределительным коллектором 29а охладителя (например, охлаждающей воды) и с выпускным коллектором 29b охладителя (например, охлаждающей воды). Канал 27 топливного газа, образованный в плоскости топливного элемента, соединен с распределительным коллектором 30а топливного газа (например, водорода) и с выпускным коллектором 30b топливного газа (например, водорода). Канал 28 газообразного окислителя, образованный в плоскости топливного элемента, соединен с распределительным коллектором 31а газообразного окислителя (например, воздуха) и с выпускным коллектором 31b газообразного окислителя (например, воздуха).

Сепаратор 18 может быть изготовлен из углерода (в том числе из графита), металла (в том числе из спеченного сплава и т.п.), в виде сборки металлического элемента и рамы из синтетической смолы, из электропроводной синтетической смолы, а также из комбинации этих материалов.

В топливном элементе в соответствии с настоящим изобретением, по меньшей мере у одного участка области генерирования мощности топливного элемента, пористый участок 32 образован в сепараторе 18, причем на второй стороне пористого участка 32, противоположной первой стороне пористого участка, где образован канал газообразного реагента (газовый канал, который представляет собой по меньшей мере канал топливного газа 27 или канал газообразного окислителя 28), канал охлаждающего газа 33 образован в плоскости топливного элемента.

В сепараторе 18 имеются распределительный коллектор 34а охлаждающего газа и выпускной коллектор 34b охлаждающего газа, причем канал 33 охлаждающего газа в плоскости топливного элемента соединен с распределительным коллектором 34а охлаждающего газа и выпускным коллектором 34b охлаждающего газа. Охлаждающий газ втекает из распределительного коллектора 34а охлаждающего газа в канал 33 охлаждающего газа в плоскости топливного элемента и затем вытекает из канала 33 охлаждающего газа в выпускной коллектор 34b охлаждающего газа.

Канал 33 охлаждающего газа может быть выполнен в виде канавки или группы канавок. Более того, канал 33 охлаждающего газа может быть образован между множеством выступов, расположенных зигзагом. Канал 33 охлаждающего газа может быть выполнен в виде канавки, заполненной пористым материалом.

Часть сепаратора в направлении толщины сепаратора, от боковой поверхности канала газообразного реагента в направлении противоположной поверхности, по меньшей мере в одной области указанной боковой поверхности канала газообразного реагента, изготовлена из пористого материала 49.

Пористый участок 32 образован в сепараторе 18 по меньшей мере в одной области в плоскости топливного элемента (которая может быть полной областью плоскости топливного элемента) и по всей толщине сепаратора 18 (в случае участка в виде канавки, по всей толщине сепаратора у основания канавки). Пористый участок 32 позволяет вырабатываемой воде и газу (газообразному реагенту и охлаждающему газу) топливного элемента проходить через пористый участок в направлении сепаратора от одной поверхности к другой, противоположной поверхности сепаратора. Так как предусмотрен пористый участок 32, то даже если вырабатываемая вода появляется в канале 27, 28 газообразного реагента топливного элемента, то эта вырабатываемая вода может проходить через пористый участок 32 и поступать в канал 33 охлаждающего газа для испарения. В результате происходит как охлаждение топливного элемента, так и удаление вырабатываемой воды, потому что вырабатываемая вода отбирает теплоту при ее испарении.

Пористый участок 32 изготовлен из электропроводного материала, так как он выполняет функцию накопления электричества.

Материал пористого участка 32 преимущественно является таким же, что и материал сепаратора, чтобы облегчить их соединение. Например, если сепаратор 18 изготовлен из углерода, то пористый участок 32 преимущественно должен быть образован из пористого углерода (в этом случае графитная форма должна быть сделана пористой за счет надлежащего выбора формы и размера частиц углерода и отношения концентраций компонентов в смеси частиц углерода и связующего). Пористый участок 32 может быть образован интегрально с остальной частью сепаратора, или может быть образован отдельно от остальной части сепаратора и соединен с остальной частью сепаратора.

В структуре, в которой каналы 27, 28 газообразного реагента образованы у одной поверхности пористого участка 32, а канал 33 охлаждающего газа образован у другой поверхности пористого участка 32, охлаждающий газ, который протекает в канале 33 охлаждающего газа, преимущественно должен быть таким же газом, который протекает в каналах 27, 28 газообразного реагента. Более конкретно, если воздух протекает в канале газообразного реагента 28, образованном у одной поверхности пористого участка 32, то воздух используют в качестве охлаждающего газа, который протекает вдоль другой поверхности участка 32. Когда газообразный водород протекает в канале газообразного реагента 27, образованном у одной поверхности пористого участка 32, то водород используют в качестве охлаждающего газа, который протекает вдоль другой поверхности участка 32. Если используют одинаковый газ в каналах 27, 28 газообразного реагента и в канале 33 охлаждения, то исключаются такие проблемы, как повреждение электролитной мембраны 11 и содействие затоплению, даже если газ движется между каналами газообразного реагента 27, 28 и каналом 33 охлаждающего газа, в отличие от случая, когда вода и газ действуют против друг друга, за исключением варианта настоящего изобретения, показанного на фиг.15.

Как это показано на фиг.3 и фиг.7, в топливном элементе, который расположен рядом с другим топливным элементом, где образован канал охлаждения 33, может быть образован второй канал 33' охлаждающего газа, который соответствует по положению первому каналу 33 охлаждающего газа, причем газ такого же рода, который протекает в первом канале 33 охлаждающего газа (то есть газ, который отличается от газа, протекающего в канале газообразного реагента сепаратора, где образован второй канал 33' охлаждающего газа), может протекать во втором канале 33' охлаждающего газа. Сепаратор, в котором образован канал 33' охлаждающего газа, не должен пропускать газ и воду, причем в сепараторе, в котором образован канал 33' охлаждающего газа, участок сепаратора между каналом газообразного реагента и каналом 33' охлаждающего газа не является пористым участком 32. У участка сепаратора, охватывающего каналы 33 и 33' охлаждающего газа, установлено уплотнительное кольцо 45 (фиг.3), причем это уплотнительное кольцо герметизирует канал 33 охлаждающего газа и канал 33' охлаждающего газа снаружи. На фиг.3 показан случай, когда газообразный окислитель протекает в каналах 33 и 33' охлаждающего газа, а на фиг.7 показан случай, когда топливный газ протекает в каналах 33 и 33' охлаждающего газа.

Канал 33 охлаждающего газа соединен, на стороне ниже по течению канала охлаждающего газа, с каналом подачи газообразного реагента (например, с распределительным коллектором 27а, 28а газообразного реагента) для подачи газообразного реагента в топливный элемент 10. За счет такого построения вырабатываемая вода испаряется в канале охлаждающего газа и увлажняет охлаждающий газ, причем увлажненный охлаждающий газ поступает в распределительный коллектор газообразного реагента и используется как часть газообразного реагента, за счет чего вырабатываемая вода может быть использована как вода для увлажнения газообразного реагента.

Соединительный канал 35, который соединяет канал 33 охлаждающего газа с каналом подачи газообразного реагента на стороне ниже по течению канала 33 охлаждающего газа, может быть образован в плоскости топливного элемента или снаружи от батареи 23. На фиг.1 соединительный канал 35, который флюидально соединяет выпускной коллектор 34b охлаждающего газа с распределительными коллекторами 27а, 28а газообразного реагента, расположен снаружи от батареи. Охлаждающий газ от каждого топливного элемента собирается в выпускном коллекторе 34b охлаждающего газа и подается в распределительные коллекторы 27а, 28а газообразного реагента через соединительный канал 35. Соединительный канал 35 может быть расположен внутри батареи 23 и в плоскости каждого топливного элемента.

Контур охлаждающего газа, который содержит канал 33 охлаждающего газа, выполнен таким образом, что количество охлаждающего газа, которое протекает в канале 33 охлаждающего газа, является контролируемым. Например, предусмотрен обводной канал 36, который обходит (шунтирует) канал 33 охлаждающего газа и соединяет первый участок контура охлаждающего газа, расположенный выше по течению относительно канала 33 охлаждающего газа, и второй участок контура охлаждающего газа, расположенный ниже по течению относительно канала 33 охлаждающего газа, причем клапан управления 37 установлен в обводном канале 36 или в канале 33 охлаждающего газа (на фиг.1 клапан 37 установлен в обводном канале 36). При таком построении, за счет срабатывания клапана управления 37 можно контролировать количество охлаждающего газа, который протекает в канале охлаждающего газа 33.

Стабильная работа топливного элемента может быть обеспечена в варианте, который содержит обводной канал 36, так как изменение количества охлаждающего газа, подаваемого в распределительные коллекторы 27а, 28а газообразного реагента (которое в свою очередь представляет собой количество газообразного реагента, подаваемого в топливный элемент, когда нет специальной системы подачи газообразного реагента), является небольшим, даже если изменяется количество охлаждающего газа, протекающего через канал 33 охлаждающего газа. Альтернативно, как это показано на фиг.4, может быть предусмотрена другая система подачи газообразного реагента, в которой охлаждающий газ поступает в газообразный реагент от системы подачи газообразного реагента.

С точки зрения удаления вырабатываемой воды, желательно, чтобы область плоскости топливного элемента, в которой предусмотрен пористый участок 32, была возможно большей, в то время как с точки зрения охлаждения топливного элемента, желательно, чтобы область топливного элемента, в которой предусмотрен пористый участок 32, была возможно меньшей, так как охлаждение газом производят у пористого участка 32 и эффективность охлаждения газом ниже, чем эффективность охлаждения водой.

Для того, чтобы сделать удаление вырабатываемой воды и охлаждение топливного элемента совместимыми, когда канал 27, 28 газообразного реагента разделен на 3 участка, в том числе на участок выше по течению, средний участок и участок ниже по течению, желательно, чтобы пористый участок 32 был расположен только в той части (эта часть соответствует "влажной зоне" на фиг.2) сепаратора, где расположен участок ниже по течению. Участок ниже по течению канала 27, 28 газообразного реагента представляет собой часть топливного элемента, в которой вырабатывается относительно большое количество воды, причем за счет размещения пористого участка 32 на этом участке ниже по течению, улучшается удаление вырабатываемой воды, в результате чего исключается снижение выработки электроэнергии на этом участке ниже по течению. Более того, участок охлаждения газа может быть ограничен частью топливного элемента, в которой расположен участок ниже по течению канала 27, 28 газообразного реагента, за счет чего может быть решена проблема охлаждения.

У сепаратора, за исключением участка ниже по течению канала 27, 28 газообразного реагента (в той части сепаратора, где расположен участок выше по течению и средний участок канала 27, 28 газообразного реагента), расположен канал 26 охладителя, через который протекает охлаждающая вода. В качестве охладителя используют, например, LLC (долговечный незамерзающий жидкий охладитель). Канал 26 охладителя (например, LLC или охлаждающей воды) и канал 33 охлаждающего газа в плоскости топливного элемента представляют собой системы, независимые друг от друга. Часть сепаратора, в которой расположены участок выше по течению и средний участок канала 27, 28 газообразного реагента, представляет собой область, в которой концентрация газообразного реагента является высокой (еще много газообразного реагента остается без его потребления), так что количество генерируемой энергии и выделяемого тепла в этой области является относительно высоким. За счет охлаждения этой области не газом, а охлаждающей водой, может быть обеспечено охлаждение с высокой эффективностью.

В том случае, когда в пористом участке 32 каждый канал 27, 28 газообразного реагента и канал 33 охлаждающего газа выполнен в виде канавки, образованной между смежными ребрами, трудно производить равномерное удаление вырабатываемой воды в области удаления вырабатываемой воды, так как способность к удалению вырабатываемой воды в части сепаратора, соответствующей участку ребра, ниже, чем в части сепаратора, соответствующей участку канавки.

Для обеспечения равномерного удаления вырабатываемой воды (i) ребро 46 (участок сепаратора, который находится ближе к вершине ребра, чем к поверхности основания канавки) или ребро 46 и участок основания 48 ребра (участок сепаратора между поверхностью основания канавки канала 27, 28 и поверхностью основания канавки канала 33), расположенный внизу ребра 46, газового канала, который представляет собой по меньшей мере только канал 27, 28 газообразного реагента или только канал 33 охлаждающего газа, пористого участка 32, может иметь более высокую пористость, чем любая другая часть пористого участка 32; или

(ii) газовый канал, который представляет собой по меньшей мере только канал 27, 28 газообразного реагента или только канал 33 охлаждающего газа, имеет меньшее отношение ребро-канавка у пористого участка, чем в любой другой части сепаратора, кроме пористого участка; или

(iii) канал 33 охлаждающего газа заполнен пористым материалом 49. Элемент 50 представляет собой прокладку.

За счет использования такой структуры, движение вырабатываемой воды из канала 27, 28 газообразного реагента в канал 33 охлаждающего газа становится равномерным по всему пористому участку 32.

Как это показано на фиг.16 и фиг.17, часть сепаратора 18 в направлении сепаратора от стороны поверхности канала газообразного реагента в направлении противоположной поверхности сепаратора (например, ребро и участок основания ребра или участок ребра канала газообразного реагента) может быть сделана из пористого материала 51, по меньшей мере в одной области боковой поверхности канала газообразного реагента (например, на среднем участке канала газообразного реагента или на среднем участке и на участке выше по течению канала газообразного реагента). Пористый материал 51 представляет собой единое целое с пористым участком 32, так что вода, поглощенная пористым материалом 51, может двигаться к пористому участку 32 за счет капиллярности. Пористым материалом 51 может быть такой же материал, что и материал пористого участка 32, с такой же пористостью, или же это может быть материал, отличающийся от материала пористого участка 32, с другой пористостью.

В том случае, когда по меньшей мере одна область боковой поверхности канала газообразного реагента сепаратора 18 изготовлена из пористого материала 51, улучшается характеристика удаления воды и характеристика снабжения газом у поверхности накопления электричества (у поверхности контакта сепаратора с диффузионным слоем). Причина, по которой улучшается характеристика снабжения газом, заключается в том, что газ поступает к участку электрода, который прижат при помощи ребра сепаратора не только через диффузионный слой, но также и через участок ребра, изготовленный из пористого материала 51.

Далее будут описаны особые характеристики каждого из вариантов настоящего изобретения. В соответствии с вариантом 1 настоящего изобретения, который показан на фиг.1-4, канал 33 охлаждающего газа сепаратора 18 флюидально связан с воздуходувкой 38, установленной на входе канала 33 охлаждающего газа. Выпускное отверстие воздуходувки 38 флюидально связано с распределительным коллектором 34а охлаждающего газа, а впускное отверстие воздуходувки 38 сообщается с источником охлаждающего газа (с атмосферой). Контур охлаждающего газа сообщается с каналом 30а, 31а подачи газообразного реагента (в распределительном коллекторе 31а газообразного реагента) через соединительный канал 35 на выходе канала 33 охлаждающего газа. Соединительный канал 35 не имеет воздуходувки. Охлаждающий газ используют для газообразного реагента в исходном виде. На фиг.1 охлаждающий газ представляет собой воздух.

На выходном участке канала 27, 28 газообразного реагента (канала газообразного окислителя 2 в показанном примере) образован пористый участок 32. У обращенной к МЕА поверхности пористого участка 32 образован канал 27, 28 газообразного реагента, а на внешней поверхности пористого участка 32 образован канал 33 охлаждающего газа. Вырабатываемая вода движется из газового канала 27, 28 через пористый участок 32 в канал 33 охлаждающего газа, за счет чего исключается затопление. Появляющаяся в канале 33 охлаждающего газа вода увлажняет охлаждающий газ. Так как увлажненный охлаждающий газ используют в качестве газообразного реагента, не требуется средство увлажнения газообразного реагента, которое необходимо в обычной системе, или же мощность такого средства увлажнения может быть снижена. Более того, вырабатываемая вода испаряется с поглощением большого количества теплоты, в том числе латентной теплоты и теплоты для повышения температуры вырабатываемой воды до точки кипения вырабатываемой воды (сухое тепло), когда вода проходит через пористый участок 32, за счет чего происходит охлаждение топливного элемента 10. В результате достигается как исключение затопления, так и охлаждение топливного элемента.

При структуре каналов в соответствии с вариантом 1 настоящего изобретения, в которой каналы 27, 28 газообразного реагента и канал 33 охлаждающего газа расположены напротив друг друга через пористый участок 32, так как каналы 27, 28 газообразного реагента расположены ниже по течению относительно канала 33 охлаждающего газа, то газовое давление в каналах 27, 28 газообразного реагента ниже, чем газовое давление в канале 33 охлаждающего газа, так что газ вытекает из канала 33 охлаждающего газа через пористый участок 32 в каналы 27, 28 газообразного реагента. В результате концентрация газа возрастает на участке ниже по течению канала 27, 28 газообразного реагента, причем возрастает выработка электроэнергии на участке ниже по течению каналов 27, 28 газообразного реагента. Несмотря на поток охлаждающего газа из канала 33 охлаждающего газа в каналы 27, 28 газообразного реагента, вырабатываемая вода может поступать из каналов 27, 28 газообразного реагента в канал 33 охлаждающего газа за счет капиллярности и испарения. Для того, чтобы снизить давление охлаждающего газа у пористого участка 32, чтобы усилить движение вырабатываемой воды из каналов 27, 28 газообразного реагента в канал 33 охлаждающего газа, канал 33 охлаждающего газа дросселируют, чтобы повысить скорость течения и понизить статическое давление.

В соответствии с вариантом 2 настоящего изобретения, показанным на фиг.5, воздуходувка 38 расположена в соединительном канале 35, который соединяет канал 33 охлаждающего газа и канал подачи газообразного реагента, на стороне ниже по течению канала охлаждающего газа 33. Выпускное отверстие воздуходувки 38 флюидально соединено с распределительным коллектором 30а, 31а газообразного реагента, в то время как впускное отверстие воздуходувки 38 флюидально соединено с выпускным коллектором 34b охлаждающего газа. Контур охлаждающего газа соединен с распределительным коллектором 30а, 31а газообразного реагента (с распределительным коллектором 31а газообразного реагента в показанном примере), на стороне ниже по течению относительно канала 33 охлаждающего газа, через с