Топливный элемент, транспортное средство с топливными элементами и модуль мембранного электрода

Топливный элемент, транспортное средство с топливными элементами и модуль мембранного электрода

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Изобретение относится к топливному элементу, транспортному средству с топливными элементами и модулю мембранного электрода.

Уровень техники

Канал подачи топливного газа циркуляционного типа используется в качестве конструкции для подачи топливного газа в батарею топливных элементов. Причина, по которой канал подачи топливного газа имеет циркуляционный тип, состоит в том, чтобы выпускать газ азота, который накапливается в канале для подачи топливного газа и препятствует подаче топливного газа, за пределы батареи топливных элементов. Газ азота накапливается в канале для подачи топливного газа, поскольку газ азота поступает из канала для окислительного газа в канал подачи топливного газа через электролит. Между тем, также предложен неустановившийся режим работы, в котором канал подачи топливного газа имеет нециркуляционный тип, и буфер для сбора газа азота предусмотрен вне батареи топливных элементов через клапан, и топливный газ подается при многократном открытии клапана и подаче топливного газа с закрытым клапаном, что сопровождается повышением давления (см., например, публикацию заявки на патент Японии № 2005-243476).

Тем не менее, идея постоянной работы топливного элемента, когда канал подачи топливного газа имеет нециркуляционный тип, не рассматривалась.

Краткое описание изобретения

Изобретение обеспечивает технологию для постоянной работы топливного элемента, когда канал подачи топливного газа имеет нециркуляционный тип в батарее топливных элементов.

Топливный элемент согласно первому аспекту изобретения включает в себя: электролит; анод, который размещен на одной стороне электролита и имеет поверхность расхода топливного газа, на которой расходуется топливный газ; катод, который размещен на другой стороне электролита и имеет поверхность расхода окислительного газа, на которой расходуется окислительный газ; и канал для топливного газа, включающий в себя первый канал для распределения топливного газа в заданные области на поверхности подачи окислительного газа, второй канал для подачи распределенного топливного газа в области и секцию подачи топливного газа для подачи топливного газа из первого канала во второй канал. Топливный элемент выполнен с возможностью работы при расходовании большей части подаваемого топливного газа в областях на поверхности расхода топливного газа, и канал для топливного газа имеет секцию подавления утечки топливного газа для подавления утечки топливного газа между первым каналом и вторым каналом.

В канале для топливного газа первого аспекта изобретения подавляется утечка топливного газа между первым каналом для распределения топливного газа в заданные области на поверхности подачи окислительного газа и вторым каналом для подачи распределенного топливного газа в области, так что можно способствовать равномерному распространению газа водорода посредством подавления проникновения газа азота из второго канала в то время, как топливный газ диффундирует. Например, "первый канал" в данном документе может рассматриваться как пористый канал 14h на стороне водородного электрода в варианте осуществления; "второй канал" может рассматриваться как электродный слой 22 на стороне водородного электрода в варианте осуществления.

В вышеописанном топливном элементе, по меньшей мере, один из первого канала и второго канала сформирован посредством пористого элемента, а секция подавления утечки топливного газа сформирована как периферийная секция пористого элемента, которая имеет пористость ниже пористости внутренней секции пористого элемента.

В вышеописанном топливном элементе секция подавления утечки топливного газа может быть элементом, который сформирован в одном корпусе, который проходит, по меньшей мере, к части периферийной секции первого канала и, по меньшей мере, части периферийной секции второго канала. При этой конфигурации, можно увеличивать жесткость посредством сборки канала для топливного газа в одном модуле.

В вышеописанном топливном элементе секция подавления утечки топливного газа может быть прокладкой, которая расположена на, по меньшей мере, одной стороне секции подачи топливного газа и обеспечивает, по меньшей мере, один из первого канала и второго канала.

Топливный элемент согласно второму аспекту изобретения включает в себя: электролит; анод, который размещен на одной стороне электролита и имеет поверхность расхода топливного газа, на которой расходуется топливный газ; катод, который размещен на другой стороне электролита и имеет поверхность расхода окислительного газа, на которой расходуется окислительный газ; и канал для топливного газа, включающий в себя первый канал для распределения топливного газа в заданные области на поверхности подачи окислительного газа, второй канал для подачи распределенного топливного газа в области и секцию подачи топливного газа для подачи топливного газа из первого канала во второй канал. Топливный элемент выполнен с возможностью работы при расходовании большей части подаваемого топливного газа на поверхности расхода топливного газа, и секция подачи топливного газа сформирована как металлическая пластина, которая включает в себя секцию подавления утечки химически активного газа для подавления утечки газа, которая заставляет топливный газ и окислительный газ смешиваться.

Транспортное средство согласно третьему аспекту изобретения включает в себя топливный элемент согласно любому из вышеупомянутых аспектов и модуль приведения, который приводит в движение транспортное средство согласно электропитанию от топливного элемента.

Модуль мембранного электрода, используемый в топливном элементе с твердым полимерным электролитом согласно четвертому аспекту изобретения, включает в себя: мембрану электролита; анод, который размещен на одной стороне мембраны электролита и имеет поверхность расхода топливного газа, на которой расходуется топливный газ; катод, который размещен на другой стороне мембраны электролита и имеет поверхность расхода окислительного газа, на которой расходуется окислительный газ; и пластину подачи топливного газа, которая подает топливный газ в заданные области на поверхности расхода топливного газа при заданном коэффициенте открытия в направлении от позиции вне плоскости поверхности расхода топливного газа к поверхности расхода топливного газа; и слой газовой диффузии, который расположен между пластиной подачи топливного газа и анодом. Слой газовой диффузии имеет секцию подавления проникновения топливного газа для подавления проникновения топливного газа не через пластину подачи топливного газа.

Топливные элементы согласно первому и второму аспектам изобретения могут пониматься как реализующие рабочее состояние, в котором электричество непрерывно генерируется в состоянии, когда сбалансировано парциальное давление примесей, таких как азот на аноде (водородном электроде), и парциальное давление примесей, таких как азот на катоде (воздушном электроде). "Сбалансированное состояние" в данном документе означает, например, равновесное состояние и не обязательно означает состояние, в котором эти парциальные давления равны друг другу.

Топливные элементы согласно первому и второму аспектам изобретения дополнительно охватывают конфигурации, показанные, например, на фиг.38 и 39. Конфигурационный пример, показанный на фиг.38, имеет первый канал и второй канал. Первый канал расположен выше второго канала. Первый канал и второй канал сообщаются друг с другом через высокопрочные соединяющие диафрагмы 2100x, которые являются более устойчивыми к расходу газа либо чем первый канал, либо чем второй канал. Эти каналы вводят топливный газ извне области генерирования электричества (вне топливного элемента) через впускной канал (коллектор) для топливного газа. В частности, относительно подачи топливного газа во второй канал, топливный газ вводится из первого канала главным образом через высокопрочные соединяющие диафрагмы 2100x (например, только через высокопрочные соединяющие диафрагмы 2100x).

Хотя первый канал и второй канал могут быть сформированы посредством использования пористых элементов, как показано в варианте осуществления, описанном ниже, эти каналы могут быть сформированы, например, посредством вставки элементов S1 и S2 уплотнения (см. фиг.38) или посредством использования элемента H2 сотовой структуры (см. фиг.39).

Чтобы предоставлять высокопрочные соединяющие диафрагмы 2100x, может использоваться пластинчатый элемент, в котором множество диафрагм 2110x для введения (через отверстия), как показано на фиг.38 и 39, распределены, например, по всей плоскости. Высокопрочные соединяющие диафрагмы 2100x имеют, по меньшей мере, одну из следующих функций. Первая функция - это функция ограничения подачи топливного газа в области во втором канале, которые находятся близко к впускному отверстию для топливного газа. Вторая функция - это функция подавления плоскостной неровности газового давления, прилагаемого в направлении, перпендикулярном плоскости секции реакции в аноде (поверхности расхода топливного газа), вдоль которой идет второй канал. Третья функция - это функция изменения направления расхода топливного газа, который протекает вдоль плоскости, вдоль которой идет первый канал, на ортогональное направление (т.е. направление, которое пересекает плоскость).

Топливные элементы согласно изобретению также могут пониматься как системы топливных элементов, как описано ниже. В частности, система топливных элементов является такой, что большая часть подаваемого топливного газа расходуется в секции реакции в аноде, при этом система топливных элементов включает в себя: впускное отверстие для приема анодного газа в элемент генерирования электричества; первый канал для газа для введения анодного газа, который подается через впускной канал, в направлении, параллельном плоскости элемента; и высокопрочную секцию, которая проходит вдоль секции реакции в аноде и вводит анодный газ из первого канала для газа во второй канал для газа через множество соединяющих диафрагм, сформированных в высокопрочной секции, которые распределены по плоскости, параллельной элементу, тогда как высокопрочная секция является более устойчивой к потоку, чем первый канал для газа, и препятствует притоку анодного газа из первого канала для газа во второй канал для газа.

Топливные элементы согласно изобретению также могут пониматься как системы топливных элементов с конфигурацией, описанной ниже. В частности, система топливных элементов может иметь следующие конфигурации. В одной конфигурации высокопрочная секция имеет одну соединяющую диафрагму, соответствующую одной области в секции реакции в аноде, и другую соединяющую диафрагму, соответствующую другой области, и в анодном газе, который расходуется в одной области, пропорция газа, который прошел через одну соединяющую диафрагму высокопрочной секции, превышает пропорцию газа, который прошел через другую соединяющую диафрагму. В другой конфигурации высокопрочная секция имеет одну соединяющую диафрагму, соответствующую одной области в секции реакции в аноде, и другую соединяющую диафрагму, соответствующую другой области, и в анодном газе, который прошел через одну соединяющую диафрагму, пропорция газа, который расходуется в одной области в секции реакции в аноде, превышает пропорцию газа, который расходуется в другой области.

Между тем, канал катода может иметь конфигурацию, в которой, по меньшей мере, высокопрочная соединяющая диафрагма не предусмотрена. Канал катода может быть выполнен с возможностью иметь только первый канал для газа для ввода катодного газа, который подается через впускной канал катода, в направлении, параллельном плоскости элемента, т.е. второй канал не предусмотрен. Тем не менее, когда слой газовой диффузии рассматривается в качестве второго канала, канал катода может быть выполнен с возможностью иметь первый и второй каналы в комбинации. В любом случае, когда высокопрочные соединяющие диафрагмы исключаются только из стороны электрода катода, ожидается, что работа, требуемая для системы подачи катодного газа, уменьшается, и эффективность отработанной воды из электрода катода повышается, что предпочтительно, в частности, в случае системы топливных элементов, которая имеет меньшую эффективность отработанной воды из электрода анода, т.е. системы топливных элементов, в которой топливный газ не выпускается постоянно.

Следует отметить, что изобретение может быть реализовано в различных других формах, таких как топливный элемент, способ изготовления батареи топливных элементов, система топливных элементов и транспортное средство на топливных элементах.

Краткое описание чертежей

Вышеописанные и дополнительные признаки и преимущества изобретения должны стать очевидными из последующего описания примерных вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых одинаковыми ссылочными позициями обозначены идентичные элементы. На чертежах:

Фиг.1 является схемой схематичной конфигурации транспортного средства 1000 на топливных элементах согласно варианту осуществления изобретения;

Фиг.2 является схемой, показывающей конфигурацию системы 210 топливных элементов согласно предшествующему уровню техники;

Фиг.3 показывает графики, показывающие рабочие состояния системы 210 топливных элементов согласно предшествующему уровню техники, когда циркуляция в канале 225 для топливного газа прекращена;

Фиг.4 является схемой, показывающей конфигурацию системы 210n топливных элементов согласно варианту осуществления изобретения;

Фиг.5 является пояснительной схемой, показывающей схематичную конфигурацию батареи 100 топливных элементов согласно предшествующему уровню техники;

Фиг.6 является пояснительной схемой, показывающей внутренние каналы в батарее 100 топливных элементов согласно предшествующему уровню техники;

Фиг.7 является пояснительной схемой, показывающей ситуацию, в которой накопление Cn азота происходит в то время, как выпуск топливного газа прекращен в батарее 100 топливных элементов согласно предшествующему уровню техники;

Фиг.8 является блок-схемой последовательности операций способа, показывающей механизм накопления газа азота в канале для топливного газа, согласно настоящему изобретению;

Фиг.9 является пояснительной схемой, показывающей ситуацию, в которой накопление газа азота возникает в канале для топливного газа;

Фиг.10 является пояснительной схемой, показывающей схематичную конфигурацию батареи 100n топливных элементов согласно варианту осуществления;

Фиг.11 является пояснительной схемой, показывающей внутренние каналы батареи 100n топливных элементов согласно варианту осуществления;

Фиг.12 является пояснительной схемой, показывающей компоновку пластины 21n подачи топливного газа в батарее 100n топливных элементов согласно варианту осуществления;

Фиг.13 является пояснительной схемой, показывающей способ, в котором топливный газ подается через пластину 21n подачи топливного газа в батарее 100n топливных элементов согласно варианту осуществления;

Фиг.14 является блок-схемой последовательности операций способа, показывающей пример процесса осуществления вывода о механизме стабилизации подачи газа водорода;

Фиг.15 является пояснительной схемой, показывающей ситуацию, в которой накопление газа азота рассеяно в канале для топливного газа;

Фиг.16 является пояснительной схемой, показывающей первую модификацию канала для топливного газа;

Фиг.17 является пояснительной схемой, показывающей вторую модификацию канала для топливного газа;

Фиг.18 является пояснительной схемой, показывающей вторую модификацию канала для топливного газа;

Фиг.19 является пояснительной схемой, показывающей другую конфигурацию второй модификации;

Фиг.20 является пояснительной схемой, показывающей третью модификацию канала для топливного газа;

Фиг.21 является пояснительной схемой, показывающей четвертую модификацию канала для топливного газа;

Фиг.22 является пояснительной схемой, показывающей формулы вычисления, связанные с рабочими характеристиками топливных элементов;

Фиг.23 является пояснительной схемой, показывающей формулу вычисления, связанную с рабочими характеристиками топливных элементов;

Фиг.24 является пояснительной схемой, показывающей формулу вычисления, связанную с рабочими характеристиками топливных элементов;

Фиг.25 является пояснительной схемой, показывающей разность между плотностью пористого канала 14h на стороне водородного электрода и плотностью слоя газовой диффузии водородного электрода 22, которые находятся на стороне впуска и стороне выпуска соответственно пластины 21n подачи топливного газа согласно варианту осуществления;

Фиг.26 является пояснительной схемой, показывающей слой газовой диффузии водородного электрода 22v2 второй модификации;

Фиг.27 является пояснительной схемой, показывающей слой газовой диффузии водородного электрода 22v3 третьей модификации;

Фиг.28 является пояснительной схемой, показывающей слой газовой диффузии водородного электрода 22v4 четвертой модификации;

Фиг.29 является пояснительной схемой, показывающей слой газовой диффузии водородного электрода 22v5 пятой модификации;

Фиг.30 является пояснительной схемой, показывающей слой газовой диффузии водородного электрода 22v6 шестой модификации;

Фиг.31 является пояснительной схемой, показывающей пористый канал 14avl на стороне воздушного электрода первой модификации;

Фиг.32 является пояснительной схемой, показывающей пористый канал 14av2 на стороне воздушного электрода второй модификации;

Фиг.33 является пояснительной схемой, показывающей внутренние каналы батареи топливных элементов, имеющей элемент 14avl пористого канала на стороне воздушного электрода первой модификации;

Фиг.34 является пояснительной схемой, показывающей пористый канал 14av3 на стороне воздушного электрода третьей модификации;

Фиг.35 является пояснительной схемой, показывающей пористый канал 14av4 на стороне воздушного электрода четвертой модификации;

Фиг.36 является пояснительной схемой, показывающей пластину 21v5 подачи топливного газа пятой модификации;

Фиг.37 является пояснительной схемой, показывающей пластину 21v6 подачи топливного газа шестой модификации;

Фиг.38 показывает первый пример другой конфигурации каналов в топливном элементе; и

Фиг.39 показывает второй пример другой конфигурации каналов в топливном элементе.

Подробное описание вариантов осуществления изобретения

Вариант осуществления изобретения описывается ниже в следующем порядке. В частности, конфигурация транспортного средства, оборудованного топливным элементом согласно варианту осуществления изобретения, конфигурация систем топливных элементов согласно предшествующему уровню техники и варианту осуществления, конфигурация батареи топливных элементов согласно предшествующему уровню техники, конфигурация батареи топливных элементов согласно варианту осуществления, процесс изготовления батареи топливных элементов согласно варианту осуществления и модификациям описываются в этом порядке.

Фиг.1 является схемой схематичной конфигурации транспортного средства 1000 с топливными элементами согласно варианту осуществления изобретения. Транспортное средство 1000 на топливных элементах включает в себя систему 200 электропитания, секцию 300 нагрузки и контроллер 250. Система 200 электропитания подает электроэнергию как движущую энергию в транспортное средство 1000 с топливными элементами. Секция 300 нагрузки преобразует подаваемую электроэнергию в механическую мощность, расходуемую на движение для приведения в движение транспортного средства 1000 с топливными элементами. Контроллер 250 управляет системой 200 электропитания и секцией 300 нагрузки.

Система 200 электропитания включает в себя систему 210n топливных элементов, аккумуляторную батарею 226, которая также упоминается как конденсатор, и преобразователь 264 постоянного напряжения. Секция 300 нагрузки включает в себя возбуждающую схему 360, электродвигатель 310, зубчатую передачу 320 и колеса 340. Система 210n топливных элементов может быть компактной, легкой и высокомощной для того, чтобы устанавливать систему на транспортном средстве.

Контроллер 250 электрически соединен с системой 210n топливных элементов, преобразователем 264 постоянного напряжения и возбуждающей схемой 360 и выполняет различные операции управления, в том числе управления этими схемами. Контроллер 250 выполняет компьютерные программы, сохраненные в непоказанном запоминающем устройстве, включенном в контроллер 250, чтобы выполнять различные операции управления. Различные носители хранения данных, такие как ПЗУ и жесткий диск, могут использоваться в качестве запоминающего устройства.

Фиг.2 является схемой, показывающей конфигурацию системы 210 топливных элементов согласно предшествующему уровню техники. Система 210 топливных элементов включает в себя батарею 100 топливных элементов, систему 230 подачи воздуха для подачи воздуха как окислительного газа в батарею 100 топливных элементов, систему 220 циркуляции газа водорода для циркуляции газа водорода как топливного газа через батарею 100 топливных элементов и систему 240 подачи газа водорода для подачи газа водорода в систему 220 циркуляции газа водорода. Контроллер 250 управляет системой 230 подачи воздуха, системой 240 подачи газа водорода и системой 220 циркуляции газа водорода.

Батарея 100 топливных элементов является топливным элементом с твердым полимерным электролитом, имеющим многоярусную структуру, в которой множество нижеописанных топливных элементов скомплектовано в батарею. Каждый топливный элемент имеет воздушный канал 235 и канал 225 для топливного газа.

Система 230 подачи воздуха является системой для подачи увлажненного воздуха в воздушный канал 235 в каждом топливном элементе. Система 230 подачи воздуха включает в себя нагнетатель 231 для приема внутрь наружного воздуха, увлажнитель 239 для увлажнения всасываемого воздуха, подводящий трубопровод 234 для увлажненного воздуха для подачи увлажненного воздуха в воздушный канал 235 и отводной трубопровод 236 для выпуска воздуха из воздушного канала 235.

Система 240 подачи газа водорода включает в себя резервуар 242 для водорода для хранения газа водорода и водородный клапан 241 для управления подачей газа водорода в систему 220 циркуляции газа водорода.

Система 220 циркуляции газа водорода включает в себя циркуляционный насос 228 для циркуляции газа водорода в системе 220 циркуляции газа водорода, подводящий трубопровод 224 газа водорода для подачи газа водорода, выпускаемого из циркуляционного насоса 228, в канал 225 для топливного газа, трубопровод для выхлопного газа 226 для подачи влажного газа водорода из канала 225 для топливного газа в разделитель 229 газа и жидкости, разделитель 229 газа и жидкости для разделения воды и газа водорода и подачи газа водорода в циркуляционный насос 228 и спускной клапан 229V.

Причина, по которой предоставляются такие каналы циркуляции 226, 229 и 228, заключается в том, что в предшествующем уровне техники газ азота, который поступает из воздушного канала 235 через нижеописанный слой электролита, накапливается в канале 225 для топливного газа, который делает неспособной батарею 100 топливных элементов генерировать электричество.

Фиг.3 показывает графики G1 и G2, иллюстрирующие рабочие состояния системы 210 топливных элементов согласно уровню техники, когда циркуляция через канал 225 для топливного газа прекращена. График G1 показывает соотношение между истекшим временем с момента, когда выпуск топливного газа прекращен, и напряжением элемента. График G2 показывает соотношение между истекшим временем с момента, когда выпуск топливного газа прекращен, и парциальными давлениями газов (в канале 225 для топливного газа).

Как можно видеть из графика G1, напряжение элемента постепенно понижается со временем. Снижение напряжения элемента вызывается снижением парциального давления водорода в канале 225 для топливного газа, как показано на графике G2. Это снижение парциального давления водорода вызывается повышением парциального давления газа азота, который поступает из воздушного канала 235, как описано выше. Чтобы подавлять такое снижение парциального давления водорода, в области техники, например, согласно публикации заявки на патент Японии № 2005-243476 (JP 2005-243476 А), систему выполняли таким образом, что газ водорода подавался при одновременном повышении полного давления специально так, чтобы парциальное давление водорода сохранялось, преодолевая повышение парциального давления азота. Тем не менее, предусмотрено ограничение на допустимое полное давление, и необходимо периодически выполнять выпуск.

Фиг.4 является схемой, показывающей конфигурацию системы 210n топливных элементов согласно варианту осуществления изобретения. В системе 210n топливных элементов каналы 226, 229 и 228 циркуляции исключены, и система 210n топливных элементов включает в себя трубопровод 227 выпуска газа для технического обслуживания и разгрузочный клапан 230V. Между тем, батарея 100 топливных элементов заменяется батареей 100n топливных элементов. Батарея 100n топливных элементов разработана так, что топливная батарея стабильно работает, даже когда выпуск топливного газа прекращен.

Перед описанием батареи 100n топливных элементов согласно варианту осуществления изобретения поясняется типичная конфигурация батареи топливных элементов согласно уровню техники и механизм накопления азота, который прояснен со ссылкой на фиг.5-9.

Фиг.5 является пояснительной схемой, показывающей схематичную конфигурацию батареи 100 топливных элементов согласно предшествующему уровню техники. Описание уровня техники и вариант осуществления, поясненный ниже, приводится для случая топливного элемента с твердым полимерным электролитом в качестве примера. В батарее 100 топливных элементов уровня техники модули 20 мембранных электродов, пористые каналы 14h на стороне водородного электрода, пористые каналы 14a на стороне воздушного электрода и разделители 40 поочередно размещаются, и на каждой стороне батареи расположены контактный зажим, изолятор и концевая пластина (не показаны), так что батарея прослаивается посредством этих элементов, посредством чего формируется батарея 100 топливных элементов.

Модуль 20 мембранного электрода является секцией, в которой происходят электрохимические реакции топливных элементов, и включает в себя электродный слой 22 на стороне водородного электрода, мембрану 23 электролита и электродный слой 24 на стороне воздушного электрода. Мембрана 23 электролита является протонно-проводящей ионообменной мембраной, которая изготовлена из твердого полимерного материала. Электродный слой 22 на стороне водородного электрода и электродный слой 24 на стороне воздушного электрода сформированы посредством размещения катализатора на токопроводящей опоре.

Пористый канал 14h на стороне водородного электрода и пористый канал 14a на стороне воздушного электрода образуют каналы химически активных газов (топливного газа, который содержит водород, и окислительного газа, который содержит кислород), используемых в электрохимических реакциях в модуле 20 мембранного электрода, и имеют функцию сбора тока. В общем, пористые каналы 14h и 14a могут быть сформированы из газопроницаемого токопроводящего материала, такого как бумага с графитовым покрытием, ткани с графитовым покрытием и углеродные нанотрубки.

Секция 50 уплотнителя предусмотрена вокруг модуля 20 мембранного электрода и двух пористых каналов 14h и 14a, чтобы обеспечивать герметизацию каналов химически активных газов, сформированных посредством пористых каналов 14h и 14a. Секция 50 уплотнителя включает в себя прокладку 52 и каркасное уплотнение 54.

Разделитель 40 выполнен с возможностью формирования стенки пористых каналов 14h и 14a, которые выступают в качестве каналов химически активных газов. Для разделителя 40 могут использоваться различные материалы, такие как плотный углеродный материал, изготовленный посредством прессования углерода, так чтобы делать углерод непроницаемым для газа, материал угольного электрода или нержавеющая сталь, если они являются токопроводящими материалами, непроницаемыми для химически активных газов. В этом варианте осуществления разделитель 40 сконструирован как трехслойный разделитель, в который интегрированы разделитель 41 на стороне катода, который входит в контакт с пористым каналом 14a на стороне воздушного электрода, разделитель 43 на стороне анода, который входит в контакт с пористым каналом 14h на стороне водородного электрода, и промежуточный разделитель 42, расположенный между разделителями 41 и 43.

Фиг.6 является пояснительной схемой, показывающей внутренние каналы в батарее 100 топливных элементов согласно уровню техники вместе с фиг.5. Каналы в батарее 100 топливных элементов включают в себя канал 225 для топливного газа (фиг.2), воздушный канал 235 (фиг.2) и канал для охлаждающей жидкости. Канал для охлаждающей жидкости включает в себя коллектор 11wm подачи охлаждающей жидкости, канал 12w подачи охлаждающей жидкости и коллектор 13wm для выпуска охлаждающей жидкости и выполнен так, что охлаждающая жидкость протекает через эти секции в таком порядке.

Канал 225 для топливного газа (фиг.2) включает в себя два коллектора 11hmL и 11hmR подачи топливного газа, канал 12h подачи топливного газа, отверстие 13h подачи топливного газа, пористый канал 14h на стороне водородного электрода, отверстие 15h для выпуска топливного газа, канал 16h для выпуска топливного газа (фиг.5) и два коллектора 17hmL и 17hmR для выпуска топливного газа (фиг.5) и выполнен таким образом, что топливный газ протекает через эти секции в таком порядке.

Воздушный канал 235 (фиг.2) включает в себя коллектор 11am подачи воздуха, канал 12a подачи воздуха, отверстие 13a для подачи воздуха, пористый канал 14a на стороне воздушного электрода, отверстие 15a для выпуска воздуха, канал 16a для выпуска воздуха (фиг.5) и коллектор 17am для выпуска воздуха (фиг.5) и выполнен так, что воздух протекает через эти секции в таком порядке.

Фиг.7 является пояснительной схемой, показывающей ситуацию, в которой накопление Cn газа азота происходит в то время, как выпуск топливного газа прекращен в батарее 100 топливных элементов согласно уровню техники. Как можно видеть из фиг.7, накопление Cn газа азота возникает в нижерасположенной области пористого канала 14h на стороне водородного электрода.

Фиг.8 является блок-схемой последовательности операций способа, показывающей механизм накопления газа азота в канале для топливного газа, согласно настоящему изобретению. Фиг.9 является пояснительной схемой, показывающей ситуацию, в которой накопление газа азота происходит в канале для топливного газа. В канале для топливного газа согласно уровню техники, как можно видеть из фиг.9, топливный газ подается вдоль реакционной поверхности (поверхности расхода топливного газа) модуля 20 мембранного электрода, на которой расходуется топливный газ, и поэтому возникает такое явление, что парциальное давление водорода в топливном газе понижается по мере того, как топливный газ протекает ниже. Следует отметить, что этот логический вывод сделан в ходе создания настоящего изобретения и что настоящее изобретение не основано на предпосылке наличия такого механизма.

Если генерирование электричества начато при условиях, в которых парциальное давление газа водорода в топливном канале (пористом канале 14h на стороне водородного электрода) является однородным на момент начала генерирования электричества, подача топливного газа начинается, когда модуль 20 мембранного электрода начинает вовлекать и потреблять водород вследствие генерирования электричества. В то время когда топливный газ подается, газ водорода расходуется в областях (областях A-D) на реакционной поверхности модуля 20 мембранного электрода, и парциальное давление водорода в топливном газе, следовательно, понижается по мере того, как топливный газ протекает ниже, согласно потреблению.

В частности, в то время как топливный газ подается, когда топливный газ протекает из области A к области B, потребление газа водорода в области A модуля 20 мембранного электрода (этап S1100) вызывает снижение парциального давления газа водорода в топливном газе, подаваемом в область B (этап S1200). Это снижение парциального давления газа водорода также возникает в потоке из области B к области C и в потоке из области C к области D.

Таким образом, топливный газ, в котором парциальное давление водорода является очень низким по сравнению с парциальным давлением в области A, подается в область D, которая является расположенной ниже областью (этап S1300). Как можно видеть из ситуации, которая возникает через 20 минут, показанной на фиг.9, это чрезвычайное снижение парциального давления водорода приводит к снижению потребления газа водорода в области D (этап S1400) и, как следствие, приводит к уменьшению подачи топливного газа (скорости потока) (этап S1500). Это снижение подачи топливного газа синергетически и циркуляционно продолжается до тех пор, пока подача топливного газа к области D не прекращена (этап S1600).

Как результат, как можно видеть из ситуации, которая возникает через 40 минут, показанной на фиг.9, область D становится областью, в которой газ азота накапливается, и топливный газ больше не подается (этап S1700). Помимо этого такой синергетический порочный круг приводит к тому, что область, в которой газ азота накапливается, распространяется до вышерасположенных областей, области C, области B и т.д.

Фиг.10 является пояснительной схемой, показывающей схематичную конфигурацию батареи 100n топливных элементов согласно варианту осуществления. Батарея 100n топливных элементов отличается от уровня техники тем, что канал 225 для топливного газа (фиг.2) заменяется на новый созданный, а канал 225n для топливного газа, воздушный канал 235 и канал для охлаждающей жидкости являются идентичными каналам по предшествующему уровню техники.

Фиг.11 является пояснительной схемой, показывающей внутренние каналы в батарее 100n топливных элементов согласно варианту осуществления вместе с фиг.10. Канал 225n для топливного газа отличается от канала 225 для топливного газа согласно уровню техники тем, что канал 225n для топливного газа оснащен: пластиной 21n подачи топливного газа для подавления накопления газа азота в канале 225 для топливного газа, происходящего в то время, когда выпуск топливного газа прекращен; и прокладкой 14hg и прокладкой 52n, которые окружают электродный слой 22 на стороне водородного электрода. Определенное число пор 211n, диаметр которых составляет приблизительно 1 мм, сформировано в пластине 21n подачи топливного газа с шагами в 2 см, например, и помимо этого три воздушных канала 212n, которые сообщаются с коллектором 11am подачи воздуха, сформированы в пластине 21n подачи топливного газа.

Прокладка 14hg и прокладка 52n могут быть изготовлены из материала, который имеет жесткость, превышающую жесткость электродного слоя 22 на стороне водородного электрода, и имеет сопротивление к деформации, которая вызывается посредством сжимающей силы в направлении толщины. Прокладка 14hg, которая окружает электродный слой 22 на стороне водородного электрода, может быть сформирована посредством заполнения периферийной секции электродного слоя 22 на стороне водородного электрода материалом для прокладки.

Фиг.12 является пояснительной схемой, показывающей компоновку пластины 21n подачи топливного газа в батарее 100n топливных элементов согласно варианту осуществления. Пластина 21n подачи топливного газа вложена между пористым каналом 14h на стороне водородного электрода и электродным слоем 22 на стороне водородного электрода модуля 20 мембранного электрода. В этом варианте осуществления пластина 21n подачи топливного газа сформирована как металлическая пластина, которая подавляет утечку между каналом для топливного газа и каналом для окислительного газа. Таким образом, этот вариант осуществле