Топливный элемент с полимерным электролитом

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ Дата публикации и выдачи патента Предложен топливный элемент, содержащий набор биполярных пластинок (1) и листов (2) из полимерного материала, в котором листы из полимерного материала содержат кромку (3),выступающую со всех сторон относительно смежных биполярных пластинок (1).(71)(73) Заявитель и патентовладелец: СОСЬЕТЕ ДЕ ТЕКНОЛОЖИ МИШЛЕН (FR); МИШЛЕН РЕШЕРШ Э ТЕКНИК С.А. (CH) 015611 Область техники Настоящее изобретение относится к топливным элементам с ионообменной полимерной мембраной. Уровень техники Топливный элемент выполняют в виде набора элементарных электрохимических ячеек, последовательно соединенных электрически, каждая из которых выдает определенное напряжение, как правило,порядка 1 В. Общее напряжение, обеспечиваемое элементом, равно, таким образом, сумме элементарных напряжений, например порядка 100 В или нескольких сот Вольт для топливных элементов, применяемых в области транспорта. Каждую элементарную электрохимическую ячейку обычно выполняют путем наложения друг на друга пяти слоев: листа из полимерного материала, одна зона которого образует ионообменную мембрану, двух электродов, содержащих химические элементы, необходимые для осуществления электрохимической реакции, и двух слоев диффузии газов, обеспечивающих равномерное распространение газов,доставляемых через решетки биполярных пластинок на всю поверхность ионообменной пластины. Подачу газов обеспечивают при помощи пластинок, которые обычно называют биполярными, так как они находятся в контакте с анодом ячейки и с катодом смежной ячейки. Чаще всего биполярные пластинки выполняют из электропроводящего материала, так как необходимо обеспечивать электропроводимость от одной ячейки к другой, при этом топливный элемент образован элементарными электрохимическими ячейками, электрически соединенными последовательно. В патентной заявке WO2005/006472 описан топливный элемент, соответствующий этому описанию. В частности, на фиг. 7 показан набор элементарных ячеек. Когда материал биполярных пластинок является электрическим проводником, что соответствует наиболее распространенному варианту, видимые стороны топливного элемента находятся под напряжением, когда топливный элемент находится в рабочем состоянии. С одной стороны набора это напряжение может быть очень высоким, при этом максимальное напряжение является номинальным напряжением топливного элемента, обычно превышающим 100 В. Поэтому необходимо закрывать такой топливный элемент оболочкой, чтобы избежать любой возможности случайного с ним контакта. Это одновременно отвечает задаче обеспечения безопасности и задаче обеспечения нормальной работы элемента, так как при коротком замыкании между ячейками работа элемента ухудшается. В настоящем изобретении предлагается другое практическое решение этой проблемы возможного электрического контакта с биполярными пластинками, когда топливный элемент не покрыт оболочкой, а также проблемы короткого замыкания между ячейками, которое может произойти при случайном контакте с посторонними предметами. Краткое описание изобретения Заявитель предположил, что, поскольку лист из полимерного материала, на котором находится ионообменная часть топливного элемента, образует подложку, которая по своей природе не является электрическим проводником, достаточно вывести края листов из полимерного материала за пределы биполярных пластинок, чтобы получить множество кромок, направленных, по существу, перпендикулярно к поверхности торцов биполярных пластинок и образующих выступы относительно биполярных пластинок, и обеспечить таким образом топливному элементу первый уровень защиты от описанных выше недостатков и рисков. В варианте вместо выполнения кромки за счет продолжения листа из полимерного материала можно установить вставку, образующую периферическое усиление, связанное с каждым листом из полимерного материала и выступающее относительно биполярных пластинок, при этом упомянутое усиление выполняют из материала, не являющегося электрическим проводником. Разумеется, по желанию можно дополнительно покрыть топливный элемент оболочкой, как это делают в обычной практике, но защита при помощи кромок обеспечивает первый уровень защиты, необходимый, в частности, для операций обслуживания, когда оператор приближается к топливному элементу,находящемуся под напряжением. Защита, обеспечиваемая топливному элементу настоящим изобретением, может также способствовать повышению его надежности. В связи с этим настоящим изобретением предлагается топливный элемент, содержащий набор пластинок распределения текучей среды и листов из полимерного материала, содержащих зону, образующую ионообменную мембрану, при этом каждый лист из полимерного материала вставляют между двумя пластинками распределения текучей среды, образуя элементарную ячейку, отличающийся тем, что,по меньшей мере, на уровне некоторых элементарных ячеек топливный элемент содержит выступающую кромку из материала, не являющегося электрическим проводником, которая выступает по отношению по меньшей мере к одному концу смежных пластинок распределения текучей среды. Во всех изложенных ниже вариантах выполнения каждая выступающая кромка связана с листом из полимерного материала. Однако это ни в коем случае не является ограничительным условием; выступающие кромки могут быть также связаны с распределительными пластинками. Краткое описание фигур Настоящее изобретение будет более очевидно из нижеследующего подробного описания варианта выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, где на фиг. 1 показана схема первого варианта вы-1 015611 полнения топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением; на фиг. 2 - первый вариант выполнения, когда к элементу согласно этому варианту выполнения приближают предмет; на фиг. 3 схема второго варианта выполнения топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением; на фиг. 4 - второй вариант выполнения, когда к элементу согласно этому варианту выполнения приближают предмет; на фиг. 5 - схема третьего варианта выполнения топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением. Описание предпочтительных вариантов выполнения изобретения На фиг. 1 показана часть сборки, образующей топливный элемент: биполярные пластинки 1 с торцами 10, открытыми снаружи, и листы 2 из полимерного материала. Известно, что элементарную электрохимическую ячейку обычно выполняют (но это ни в коем случае не ограничивает изобретение) путем наложения друг на друга пяти слоев: ионообменной полимерной мембраны, образованной листом 2 из полимерного материала, двух электродов, содержащих химические элементы, необходимые для осуществления электрохимической реакции, например платину, при этом упомянутые электроды выполняют в виде покрытия, нанесенного на обе стороны мембраны, и двух слоев диффузии газов, обеспечивающих равномерное распространение газов, доставляемых через решетки биполярных пластинок 1, на всей поверхности, образующей ионообменную мембрану. Толщина биполярных пластинок 1 равна е. Из первого варианта выполнения (фиг. 1 и 2) видно, что продолжение каждого листа 2 из полимерного материала образует выступающую кромку 3, которая выступает относительно биполярных пластинок 1 на величину, которая на чертеже равна d. По своей сути биполярные пластинки 1 являются пластинками распределения текучей среды. В данном случае говорят о биполярных пластинках, поскольку каждая из них, за исключением крайних пластинок набора, входит в контакт с анодом ячейки и с катодом смежной ячейки. Каждая биполярная пластинка 1 является эквипотенциальной. Разность напряжения от одной биполярной пластинки к следующей составляет порядка 1 В. Когда топливный элемент находится в рабочем состоянии, учитывая электропроводимость материала биполярных пластинок, в большинстве случаев(графит, сталь, ), торцы 10 биполярных пластинок находятся под напряжением. Совокупность выступающих кромок 3 образует подобие механического барьера, который затрудняет любой контакт с торцом 10 биполярных пластинок. В частности, случайное попадание электропроводящего постороннего предмета, если он имеет размер, превышающий толщину биполярных пластинок, не приведет к образованию электропроводящего пути между биполярной пластинкой и смежной биполярной пластинкой. Предпочтительно топливный элемент согласно одному из пунктов формулы изобретения содержит выступающую кромку на уровне каждого из листов из полимерного материала. В любом случае, есть ли выступающая кромка на уровне каждого листа из полимерного материала или ее нет, топливный элемент можно оборудовать кромками не по всему контуру, а только там, где необходимо усилить изоляцию с учетом возможного контакта с оператором или возможного короткого замыкания посторонними предметами. Например, защищенными выполняют верхнюю сторону и боковые стороны топливного элемента, а нижняя сторона остается незащищенной. Таким образом, выступающая кромка выступает относительно контура пластинок распределения текучей среды там, где требуется избежать контакта с торцами биполярных пластинок, то есть там, где необходимо защитить боковые стороны топливного элемента. Известно, что чаще всего полимерный материал, используемый для изготовления листов 2, является гибким. На фиг. 2 видно, что, если приблизить предмет 4 (или палец оператора) к топливному элементу,это приводит к сгибанию кромки 3 гибкого листа 2 из полимерного материала, то есть, части, которая выступает по отношению к биполярным пластинкам 1. Предпочтительно каждый лист из полимерного материала выступает на величину d, которая превышает толщину е каждой биполярной пластинки 1. Таким образом, когда кромки 3 листов 2 из полимерного материала загибаются на торцы 10 каждой биполярной пластинки 1, эти кромки 2 полностью закрывают торцы 10. Даже если кто-либо положит руку или инструмент на топливный элемент, когда он находится под напряжением, автоматически образуется барьер, не проводящий электрический ток. Таким образом, исключается любой электрический контакт между оператором и биполярной пластинкой или между инструментом и двумя смежными биполярными пластинками. Кроме того, наличие этих кромок 3 каждого гибкого листа 2 из полимерного материала удлиняет путь утечки между биполярной пластинкой 1 и смежной биполярной пластинкой 1. Это улучшает также электрическую изоляцию между двумя смежными биполярными пластинками. Настоящее изобретение охватывает также различные варианты выполнения выступающих кромок,в частности варианты, описание которых следует ниже. Альтернативно, выступающую кромку можно выполнить при помощи одной или нескольких вставок 6 (см. фиг. 3 и 5), изготовленных из материала, не являющегося электрическим проводником. Такую вставку 6 выполняют, например, из композитного материала, например типа смола-стекловолокно, или из жесткого полимера. В этом случае (см. фиг. 4) также обеспечивается описанная выше электрическая защита. На фиг. 3 показан лист 2 из полимерного материала, содержащий по обе стороны от химически ак-2 015611 тивной зоны, образующей ионообменную мембрану, слои 7 диффузии газов. Биполярные пластинки (не показаны) расположены на той же поверхности, что и слои диффузии газов. На фигуре по обе стороны от продолжения листа 2 из полимерного материала показаны также вставки 6, выполненные либо из гибкого полимера, либо из жесткого полимера, либо из композитного материала. Вставку 6 можно завести под край смежного слоя 7 диффузии газов, как показано на чертежах, или она может быть выполнена с ними заподлицо. Слой 7 диффузии газов является структурой, которая может сплющиваться, чтобы соответствовать небольшой толщине напротив вставки 6. Сборка, показанная на фиг. 3 и 4, образует жесткую кромку 3 В, выступающую относительно слоев диффузии газов и, следовательно, относительно смежных биполярных пластинок. Учитывая свою структуру, кромка 3 В не сгибается при приближении предмета 4 к топливному элементу. В варианте вставку 6 можно устанавливать только с одной стороны листа 2 из полимерного материала. Вариант, показанный на фиг. 5, отличается от предыдущего варианта тем, что лист 2 из полимерного материала не выступает по отношению к слоям 7 диффузии газов. В данном случае лист 2 из полимерного материала продолжен вставками 6. Вставки 6 обязательно заводят под конец смежного слоя 7 диффузии газов, как показано на фиг. 5. Из соображений оптимизации производства вставки соединяют с контуром листа 2 из полимерного материала. В варианте вставку 6 можно установить только с одной стороны листа 2 из полимерного материала. Сборка, показанная на фиг. 5, образует жесткую кромку 3 С,выступающую по отношению к слоям диффузии газов и, следовательно, по отношению к смежным биполярным пластинкам, и она не сгибается при приближении предмета к топливному элементу. Необходимо также отметить, что в двух последних вариантах предпочтительно вставка 6 образует рамку, которая охватывает лист 2 из полимерного материала, что способствует жесткости кромок 3 В и 3 С. Таким образом, благодаря настоящему изобретению выступающие кромки определенным образом изолируют биполярные пластинки снаружи и, если они являются гибкими, могут закрывать свободный конец каждой биполярной пластинки и обеспечивать, таким образом, достаточно эффективную электрическую изоляцию. Защита от коротких замыканий между смежными биполярными пластинками улучшается, и риск поражения электрическим током существенно снижается. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Топливный элемент, содержащий набор пластинок распределения текучей среды, используемой для осуществления электрохимической реакции, и листов (2) из полимерного материала, включающих область, образующую ионообменную мембрану, при этом каждый лист из полимерного материала вставляют между двумя пластинками распределения текучей среды, образуя элементарную ячейку, отличающийся тем, что на уровне, по меньшей мере, некоторых элементарных ячеек топливный элемент содержит выступающий элемент (3) из материала, не являющегося электрическим проводником, который выступает по отношению по меньшей мере к одному концу смежных пластинок распределения текучей среды. 2. Топливный элемент по п.1, в котором каждый выступающий элемент (3) связан с листом из полимерного материала. 3. Топливный элемент по п.2, в котором, по меньшей мере, на уровне некоторых листов из полимерного материала указанный выступающий элемент выступает по отношению ко всему контуру смежных пластинок распределения текучей среды. 4. Топливный элемент по одному из пп.2 или 3, в котором каждый выступающий элемент образован продолжением листа из полимерного материала. 5. Топливный элемент по п.4, в котором каждый лист из полимерного материала является гибким. 6. Топливный элемент по одному из пп.2 или 3, в котором каждый выступающий элемент образован вставкой из материала, не являющегося электрическим проводником. 7. Топливный элемент по одному из пп.2-6, содержащий выступающий элемент у каждого из листов из полимерного материала. 8. Топливный элемент по одному из пп.1-7, в котором каждый выступающий элемент выступает по отношению к пластинкам распределения текучей среды на длину d, превышающую толщину е смежных пластинок распределения текучей среды. 9. Топливный элемент по одному из пп.1-8, в котором пластинки распределения текучей среды, за исключением крайних пластинок набора, образуют биполярные пластинки (1).