КОМПОНОВКА ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА, ПРОИЗВОДИМОГО В ПРОМЫШЛЕННОМ МАШТАБЕ, И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

1. Топливный элемент в сборе, характеризующийся наличием следующих компонентов:
a) распределитель топлива,
b) распределитель окислителя, и
c) твердый электролит, который в рабочем положении расположен между распределителем топлива и распределителем окислителя.
2. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что твердый электролит содержит раму с центральной частью, с одной стороны которой к центральной части прикреплен положительный электрод и катализатор, и с другой, противоположной, стороны центральной части прикреплен отрицательный электрод и катализатор, отверстия для топлива и окислителя, расположенные в центре рамы, каналы для топлива и отработанных продуктов, расположенные в раме, и выступы электрических контактов, направленные наружу от рамы.
3. Топливный элемент по п.2, отличающийся тем, что распределитель окислителя расположен с той стороны твердого электролита, где находится положительный электрод, и включает наружную раму, в которой чередуясь расположены каналы для топлива и каналы для отработанных продуктов, совпадающие по форме с каналами для топлива и отработанных продуктов в раме твердого электролита, отверстия для топлива и окислителя, совпадающие по форме с отверстиями твердого электролита, между рамой и отверстиями-перемычками проходят несколько элементов, которые определяют области, доступные для попадания в них окислителя, причем каналы для отработанных продуктов открыты с внутренней стороны рамы, сообщаясь с доступной областью, которая составляет большую часть площади распределителя окислителя.
4. Топливный элемент по п.2, отличающийся тем, что распределитель топлива расположен с той стороны центральной части, где находится отрицательный электрод, и содержит наружную раму, в которой чередуясь расположены каналы для топлива и каналы для отработанных продуктов, совпадающие по форме с каналами для топлива и отработанных продуктов в раме твердого электролита, отверстия для топлива и окислителя, совпадающие по форме с отверстиями твердого электролита, причем между рамой и отверстиями проходят несколько элементов, которые определяют области, доступные для попадания в них топлива, причем каналы для отработанных продуктов открыты с внутренней стороны рамы, сообщаясь с доступной областью, которая составляет большую часть площади распределителя топлива.
5. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что распределитель топлива, распределитель окислителя и твердый электролит образуют топливный элемент в сборе с твердым или гибким электролитом, в котором указанные компоненты (а), (b) и (с) и их элементы образуют модульную легко выравниваемую и герметизируемую структуру с направляющими для выравнивания и блокировки, внутренними проходами для поступления топлива, проходами для распределения топлива, проходами для поступления окислителя, проходами для распределения окислителя, возвратными каналами и проходами для отработанных продуктов, которые включаются в модульную структуру, равно как и материалы электродов и катализатора, и снаружи указанной модульной структуры имеется доступ к отводам для электрических соединений.
6. Топливный элемент по п.5, отличающийся тем, что проходы для поступления топлива, распределения топлива, поступления окислителя, распределения окислителя, возвратные каналы и проходы для отработанных продуктов образованы и сформированы за счет указанных компонентов (а), (b) и (с) так, что когда указанные компоненты уложены друг на друга и выровнены, образуя топливный элемент в сборе или пакеты топливных элементов и их модулей, то проходы смежных компонентов, смежных топливных элементов, смежных пакетов и модулей совпадают по форме и образуют цельные соответствующие проходы от пластины к пластине, от топливного элемента к топливному элементу и от модуля к модулю, устраняя потребность в наружных входных и выходных отверстиях, а также в подведении наружных труб к каждому компоненту, топливному элементу, пакету или модулю.
7. Топливный элемент по п.5, отличающийся тем, что указанные компоненты являются основой для образования отдельного топливного элемента, либо пакета топливных элементов, либо модуля топливных элементов, имеющего концевые компоненты, находящиеся с каждого конца полного пакета или модуля, причем указанные концевые компоненты обеспечивают подключение проходов для поступления топлива, проходов для поступления окислителя, возвратных каналов и проходов для отработанных продуктов к соответствующим наружным соединительным патрубкам и снабжены приспособлениями для герметизированного соединения замыкающих деталей и остальной части топливного элемента.
8. Топливный элемент по п.2, отличающийся тем, что отверстия, определяемые объединенной структурой распределителей и твердого электролита, расположены концентрично, ориентированы радиально и находятся по существу в одной плоскости.
9. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что твердый электролит содержит раму с ионопроницаемой центральной частью, и материал положительного электрода и катализатор приложены либо к первой стороне центральной части, либо к распределителю окислителя, и материал отрицательного электрода и катализатор приложены либо ко второй стороне центральной части, либо к распределителю топлива, причем проходы для поступления топлива и окислителя, возвратные каналы и проходы для отработанных продуктов расположены в раме.
10. Топливный элемент по п.9, отличающийся тем, что распределитель окислителя расположен с одной стороны центральной части и содержит наружную раму, в которой расположены чередующиеся каналы для топлива и каналы для отработанных продуктов, совпадающие по форме с каналами для топлива и каналами для отработанных продуктов рамы твердого электролита, отверстия для топлива и окислителя, совпадающие по форме с отверстиями твердого электролита, несколько элементов, соединяющих раму с отверстиями и определяющих зоны прохождения окислителя, и выступы электрических контактов, направленные наружу от рамы, причем указанный распределитель окислителя состоит из непроводящего материала или из непроводящего материала, на который с обеих сторон нанесен проводящий и каталитический материал, или из проводящего материала, на который с обеих сторон нанесен каталитический материал, и таким образом служит для распределения окислителя, в качестве опорной конструкции и для электрических соединений, или в качестве положительного электрода с внутренним распределением окислителя.
11. Топливный элемент по п.9, отличающийся тем, что распределитель топлива расположен с противоположной стороны центральной части и содержит наружную раму, в которой расположены чередующиеся каналы для топлива и каналы для отработанных продуктов, совпадающие по форме с каналами для топлива и каналами для отработанных продуктов рамы твердого электролита, отверстия для топлива и окислителя, совпадающие по форме с отверстиями твердого электролита, несколько элементов, соединяющих раму с отверстиями-перемычками и определяющих зоны прохождения топлива, и выступы электрических контактов, направленные наружу от рамы, причем указанный распределитель топлива состоит из непроводящего материала или же из непроводящего материала, на который с обеих сторон нанесен проводящий и каталитический материал, или из проводящего материала, на который с обеих сторон нанесен каталитический материал, и таким образом служит для распределения топлива, в качестве опорной конструкции и для электрических соединений, или в качестве отрицательного электрода с внутренним распределением топлива.
12. Топливный элемент по п.10, отличающийся тем, что распределитель окислителя с электродом или положительный электрод с внутренним распределением окислителя состоит из трех отдельных компонентов, а именно первой пластины для окислителя, второй пластины для окислителя, которая идентична первой пластине для окислителя, и распределительной пластины для окислителя, которая в рабочем положении установлена между первой и второй пластинами для окислителя, причем указанные три отдельных компонента скреплены вместе, образуя модульный распределитель окислителя и сборку электрода или же модульную сборку положительного электрода с внутренним распределением окислителя.
13. Топливный элемент по п.11, отличающийся тем, что распределитель топлива с электродом или отрицательный электрод с внутренним распределением топлива состоит из трех отдельных компонентов, а именно первой пластины для топлива, второй пластины для топлива, которая идентична первой пластине для топлива, и распределительной пластины для топлива, которая в рабочем положении установлена между первой и второй пластинами для топлива, причем указанные три отдельных компонента образуют вместе модульный распределитель топлива и сборку электрода или же модульную сборку отрицательного электрода с внутренним распределением топлива.
14. Топливный элемент по п.10, отличающийся тем, что распределитель окислителя с электродом или положительный электрод с внутренним распределением окислителя имеет на своих обеих сторонах контактные гребни, которые обеспечивают альтернативную возможность прикрепления твердых электролитов.
15. Топливный элемент по п.11, отличающийся тем, что распределитель топлива с электродом или отрицательный электрод с внутренним распределением топлива имеет на своих обеих сторонах контактные гребни, которые обеспечивают альтернативную возможность прикрепления твердых электролитов.
16. Топливный элемент по п.9, отличающийся тем, что твердый электролит, распределители и включающие их сборки имеют такую конструкцию, что сторона с распределением топлива у одного электролита обращена к такой же стороне с распределением топлива у следующего электролита, что позволяет пользоваться общим распределителем топлива, и сторона окислителя одного электролита обращена к стороне окислителя следующего электролита, что позволяет пользоваться общим распределителем окислителя и в целом уменьшает размеры и массу всего пакета топливных элементов.
17. Топливный элемент по п.9, отличающийся тем, что компоненты, содержащие электроды, и электропроводные компоненты, а также их сборки включают свободно выбираемые снаружи и подсоединяемые электрические отводы, которые выходят наружу из рам компонентов, при этом расположение и конфигурация указанных отводов позволяет в любой момент однозначно определить отрицательные и положительные полюсы, и указанные отводы совпадают по форме с аналогичными отводами смежных компонентов топливных элементов и целых топливных элементов, что позволяет отбирать ток с боковых поверхностей всей конструкции и устраняет необходимость во внутренних электрических контактах между отдельными топливными элементами, которым свойственны отказы, связанные с перегревом, сопротивлением, коррозией, а также в биполярных сепараторах.
18. Топливный элемент по п.16, отличающийся тем, что общие пространства между анодами и катодами и выведенные наружу свободно выбираемые и подсоединяемые электрические обеспечивают возможность электрического соединения каждых двух соседних топливных элементов, тем самым эффективно удваивая активную поверхность пакета и создавая возможность использовать сборки по меньшей мере из двух топливных элементов в качестве сменных модульных единиц.
19. Топливный элемент по п.5, отличающийся тем, что конструкция распределителей окислителя и топлива позволяет облегчить течение текучих сред, добиваясь желаемого распределения по поверхностям, расхода топлива и отвода увеличенных объемов отработанных текучих продуктов без использования компрессоров и детандеров топлива.
20. Топливный элемент по п.5, отличающийся тем, что контур рециркуляции топлива функционирует как теплопередающая среда, в которой избыточный поток текучей среды на катоде используется для отвода тепла.
21. Топливный элемент по п.5, отличающийся тем, что между смежными компонентами топливного элемента или сборками топливных элементов расположены совпадающие с ними по форме уплотнительно-замыкающие проставки из непроводящего материала, которые обеспечивают альтернативный вариант электрического сепаратора и средства замыкания.
22. Топливный элемент по п.5, отличающийся тем, что все уплотнительно-замыкающие проставки для проходов, камер, отверстий и периферийных полос изготовлены одновременно нанесением формованного сжимаемого материала, вяжущих средств, присоединением с образованием химических связей, пайкой эвтектическим припоем или приклеиванием металлических частей,
23. Топливный элемент по п.9, отличающийся тем, что: распределители или электроды сформированы штамповкой, спеканием, прессованием в пресс-форме, литьем, многослойным ламинированием или травлением;
рабочая область изготовлена как часть пластины с использованием штамповки для получения необходимых гофрированных участков и отверстий, с использованием прессования в пресс-форме или литья для получения необходимых видоизменений формы и отверстий, с использованием спекания или же с оставлением соответствующих участков открытыми;
пластина изготовлена из проводящих материалов или из непроводящих материалов, на которые нанесены проводящие материалы путем нанесения покрытия, печати, электролитического осаждения или напыления;
поверхность, по которой компоненты прикрепляются друг к другу, подготовлена методами печати, избирательного нанесения покрытия или избирательного электролитического осаждения для последующего соединения пайкой тугоплавким или эвтектическим припоем или приклеиванием.
24. Способ изготовления топливного элемента, предусматривающий:
(1) пропускание подложек для твердого электролита, положительного электрода и отрицательного электрода через головки печатных устройств, которые наносят на них положительный и отрицательный катализаторы;
(2) пропускание подложек с отпечатавшимся на них слоем через ротационные высекальные прессы, которые высекают их по размеру топливного элемента и передают на подборные конвейеры;
(3) введение электролита между положительным и отрицательным электродами и сборка топливного элемента;
(4) тестирование собранного топливного элемента; и
(5) присоединение распределителя топлива и окислителя топлива к собранному топливному элементу с образованием полного топливного элемента.
25. Способ по п.24, отличающийся тем, что твердый электролит и положительные и отрицательные электроды в процессе изготовления отматывают от рулонов материала.