биполярная сепараторная пластина топливной ячейки с протонной обменной мембраной

Формула изобретения

1. Газонепроницаемая биполярная сепараторная пластина для топливной ячейки с протонной обменной мембраной, содержащая по меньшей мере один материал, проводящий электрический ток, в количестве 50 - 95 мас. % сепараторной пластины, по меньшей мере одну смолу в количестве, по меньшей мере, 5 мас. % сепараторной пластины, по меньшей мере один гидрофильный агент, подходящий для использования в топливной ячейке с протонной обменной мембраной для притягивания воды к сепараторной пластине, и углеродные волокна, посредством чего максимальное количество углеродных волокон составляет вплоть до 45 мас. % сепараторной пластины, причем по меньшей мере один материал, проводящий электрический ток, по меньшей мере одна смола, по меньшей мере один гидрофильный агент и углеродные волокна являются, по существу, равномерно диспергированными по всей сепараторной пластине.

2. Биполярная сепараторная пластина по п. 1, в которой по меньшей мере одна смола является гидрофильной.

3. Биполярная сепараторная пластина по п. 1, в которой по меньшей мере один материал, проводящий электрический ток, выбирают из группы, состоящей из материалов, содержащих углерод, металлов, сплавов металлов, карбидов металлов, нитридов металлов и их смесей.

4. Биполярная сепараторная пластина по п. 3, в которой по меньшей мере один материал, проводящий электрический ток, содержит по меньшей мере один материал, содержащий углерод.

5. Биполярная сепараторная пластина по п. 1, в которой гидрофильный агент является смачивающим агентом.

6. Биполярная сепараторная пластина по п. 5, в которой смачивающий агент выбирают из группы, состоящей из оксидов Ti, Al, Si и их смесей.

7. Биполярная сепараторная пластина по п. 1, в которой по меньшей мере одну смолу выбирают из группы, состоящей из термоусадочных смол, термопластичных смол и их смесей.

8. Биполярная сепараторная пластина по п. 1, в которой по меньшей мере один материал, проводящий электрический ток, выбирают из группы, состоящей из графита, газовой сажи, углеродных волокон и их смесей.

9. Биполярная сепараторная пластина по п. 1, в которой пластина является пористой.

10. Биполярная сепараторная пластина по п. 9, в которой пористость пластины меньше, чем 25% от объема пластины.

11. Биполярная сепараторная пластина по п. 9, в которой средний диаметр пор находится в пределах 0,25 - 2,0 мкм.

12. Биполярная сепараторная пластина по п. 9, давление пузырьков в пластине больше, чем 0,35 кг/см².

13. Биполярная сепараторная пластина по п. 1, в которой электрическая проводимость пластины составляет по меньшей мере 5 См/см.

14. Биполярная сепараторная пластина по п. 1, содержащая 70-90 мас. % материала, проводящего электрический ток, 8-15 мас. % термоусадочной смолы, вплоть до 10 мас. % углеродных волокон и 0,01-5,0 мас. % диоксида кремния.

15. Биполярная сепараторная пластина по п. 1, дополнительно содержащая средство для циркуляции воды через сепараторную пластину между поверхностью, обращенной к аноду, и поверхностью, обращенной к катоду сепараторной пластины.

16. Биполярная сепараторная пластина, содержащая материал, проводящий электрический ток и содержащий углерод, в пределах 50-95 мас. % сепараторной пластины и смолы в количестве по меньшей мере 5 мас. % сепараторной пластины, отличающаяся тем, что содержит биполярную сепараторную пластину, содержащую гидрофильный агент, подходящий для использования в топливной ячейке с протонной обменной мембраной, диспергированной равномерно по всей сепараторной пластине, посредством чего вода может поглощаться в и проходить через сепараторную пластину, причем биполярная сепараторная пластина дополнительно содержит углеродные волокна, посредством чего максимальное количество углеродных волокон достигает вплоть до 45 мас. % сепараторной пластины и углеродные волокна, по существу, равномерно диспергированы по всей сепараторной пластине.

17. Биполярная сепараторная пластина по п. 16, в которой гидрофильный агент является гидрофильной смолой.

18. Биполярная сепараторная пластина по п. 16, в которой гидрофильный агент является смачивающим агентом.

19. Биполярная сепараторная пластина по п. 18, в которой смачивающий агент выбирают из группы, состоящей из оксидов Ti, Al, Si и их смесей.

20. Биполярная сепараторная пластина по п. 16, в которой по меньшей мере одну смолу выбирают из группы, состоящей из термоусадочных смол, термопластичных смол и их смесей.

21. Биполярная сепараторная пластина по п. 16, в которой по меньшей мере один материал, проводящий электрический ток и содержащий углерод, выбирают из группы, состоящей из графита, газовой сажи, углеродных волокон и их смесей.

22. Биполярная сепараторная пластина по п. 16, в которой пластина является пористой.

23. Биполярная сепараторная пластина по п. 22, в которой пористость пластины меньше, чем 25 мас. % от объема упомянутой пластины.

24. Биполярная сепараторная пластина по п. 22, в которой средний диаметр пор находится в пределах 0,25 - 2,0 мкм.

25. Биполярная сепараторная пластина по п. 22, в которой давление пузырьков в пластине выше, чем 0,35 кг/см².

26. Биполярная сепараторная пластина по п. 16, в которой электрическая проводимость пластины составляет по меньшей мере 5 См/см.

27. Биполярная сепараторная пластина по п. 16, в которой центральная область сепараторной пластины образует средство для направления потока и для распределения газов в топливных ячейках.

28. Биполярная сепараторная пластина по п. 27, в которой прочность на раздавливание центральной области выше, чем 14 кг/см².

29. Набор топливных ячеек с протонной обменной мембраной, содержащей множество отдельных секций топливных ячеек, каждая секция топливных ячеек содержит анод, катод, ионообменную мембрану, расположенную между анодом и катодом, и сепараторная пластина имеет лицевую сторону, обращенную к аноду, и лицевую сторону, обращенную к катоду, при этом сепараторная пластина разделяет секции топливных ячеек между анодом одной секции топливных ячеек и катодом соседней секции топливных ячеек, отличающийся тем, что содержит сепараторную пластину, содержащую по меньшей мере один материал, проводящий электрический ток и содержащий углерод, в количестве 50 - 95 мас. % сепараторной пластины, по меньшей мере одну смолу в количестве по меньшей мере, 5 мас. % сепараторной пластины и по меньшей мере один гидрофильный агент, подходящий для использования в топливной ячейке с протонной обменной мембраной для притяжения воды в сепараторную пластину, причем по меньшей мере один материал, проводящий электрический ток и содержащий углерод, по меньшей мере одна смола и по меньшей мере один гидрофильный агент, по существу, равномерно диспергированы по всей сепараторной пластине, при этом сепараторная пластина дополнительно содержит углеродные волокна, посредством чего максимальное количество углеродных волокон составляет вплоть до 45 мас. % сепараторной пластины, причем углеродные волокна, по существу, равномерно диспергированы по всей сепараторной пластине.

30. Набор топливных ячеек по п. 29, в котором по меньшей мере одна смола является гидрофильной.

31. Набор топливных ячеек по п. 29, в котором гидрофильный агент является смачивающим агентом.

32. Набор топливных ячеек по п. 31, в котором смачивающий агент выбирают из группы, состоящей из оксидов Ti, Al, Si и их смесей.

33. Набор топливных ячеек по п. 29, в котором по меньшей мере одну смолу выбирают из группы, состоящий из термоусадочных смол, термопластичных смол и их смесей.

34. Набор топливных ячеек по п. 31, в котором по меньшей мере один материал, проводящий электрический ток и содержащий углерод, выбирают из группы, состоящей из графита, газовой сажи, углеродных волокон и их смесей.

35. Набор топливных ячеек по п. 31, в котором пластина является пористой.

36. Набор топливных ячеек по п. 35, в котором пористость пластины меньше, чем 25% от объема упомянутой пластины.

37. Набор топливных ячеек по п. 35, в котором средний диаметр пор находится в пределах 0,25 - 2,0 мкм.

38. Набор топливных ячеек по п. 35, в котором давление пузырьков в пластине больше, чем 0,35 кг/см².

39. Набор топливных ячеек по п. 29, в котором электрическая проводимость пластины составляет по меньшей мере 5 См/см.

40. Набор топливных ячеек по п. 29, в котором ионообменные мембраны и сепараторные пластины простираются до периферийного края набора топливных ячеек, при этом сепараторные пластины имеют уплощенную периферийную уплотняющую структуру, простирающуюся от каждой лицевой стороны, для установления полного контакта с ионообменными мембранами вокруг их периферии, образуя периферийное уплотнение, причем каждая ионообменная мембрана и сепараторная пластина имеют множество совмещенных отверстий, при этом отверстия в сепараторных пластинах окружены уплощенной коллекторной уплотняющей структурой, простирающейся от каждой лицевой стороны, для установления контакта с ионообменной мембраной, образующей коллекторное уплотнение, таким образом образуя множество газовых коллекторов, простирающихся через набор ячеек, и каналов, проходящих через уплощенную коллекторную уплотняющую структуру, которая обеспечивает связь газа топлива между одним набором коллекторов и камерами анода, которые сформированы между анодами и лицевыми сторонами, обращенными к аноду, сепараторных пластин и каналами, проходящими через уплощенную коллекторную уплотняющую структуру, которая обеспечивает связь газа окислителя между вторым набором коллекторов и камерами катода, которые образованы между катодами и лицевыми сторонами, обращенными к катоду, сепараторных пластин, таким образом обеспечивая полностью внутреннее прохождение по коллекторам газов топлива и окислителя к и из каждой секции топливной ячейки в наборе упомянутых ячеек.

41. Набор топливных ячеек по п. 29, в котором центральная область сепараторной пластины образует средство направления потока для распределения газов топливных ячеек внутри каждой секции топливных ячеек.

42. Набор топливных ячеек по п. 29, который дополнительно содержит средство для циркуляции воды, предназначенное для циркуляции и отвода воды из набора топливных ячеек.

43. Способ получения биполярной сепараторной пластины, по которому смешивают по меньшей мере один материал, проводящий электрический ток, по меньшей мере одну смолу, по меньшей мере один гидрофильный агент, подходящий для использования в топливной ячейке с протонной обменной мембраной и углеродные волокна, образующие, по существу, однородную смесь, содержащую по меньшей мере один материал, проводящий электрический ток, в количестве 50 - 95 мас. % упомянутой смеси, по меньшей мере одну смолу в количестве по меньшей мере 5 мас. % смеси, углеродные волокна в количестве вплоть до 45 мас. % смеси и по меньшей мере один гидрофильный агент, и формуют смесь в требуемую форму при температуре в пределах 121^oС (250^oF) и 260^oС (500^o F), и при давлении в пределах 3447 кПа (500 psi) и 27579 кПа (4000 psi), образуя биполярную пластину.

44. Способ по п. 43, по которому пластина имеет пористость менее чем 25% от объема пластины.

45. Способ по п. 44, по которому пластина образует множество пор, которые имеют средний размер пор в пределах 0,25 до 2,0 мкм.

46. Способ по п. 43, по которому гидрофильный агент является смачивающим агентом.

47. Способ по п. 43, по которому по меньшей мере один материал, проводящий электрический ток, является материалом, содержащим углерод.

48. Способ по п. 46, по которому смачивающий агент выбирают из группы, состоящей из оксидов Ti, Al, Si и их смесей.

49. Способ по п. 43, по которому по меньшей мере одну смолу выбирают из группы, состоящей из термоусадочных смол, термопластичных смол и их смесей.

50. Способ по п. 47, по которому по меньшей мере один материал, проводящий электрический ток и содержащий углерод, выбирают из группы, состоящей из графита, газовой сажи, углеродных волокон и их смесей.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к биполярной сепараторной пластине для использования в наборе топливных ячеек с протонной обменной мембраной. Сепараторная пластика является гидрофильной и имеет управляемую пористость, что является положительным фактором при внутреннем увлажнении топливной ячейки, а также при устранении из топливной ячейки продукционной воды, при этом предусмотрены средства для управления температурой набора топливных ячеек.

Секции топливных ячеек с электрическим выходом обычно состоят из повторяющихся в виде наборов отдельных элементов, которые разделяются биполярными электрически проводящими сепараторными пластинами. Отдельные ячейки расположены вместе послойно, скреплены между собой и выполнены в виде однокаскадного устройства для достижения необходимой выходной энергии топливных ячеек. Каждый отдельный элемент обычно включает в себя анод и катод, общий электролит и источник газов топлива и окислителя. Оба газа топлива и окислителя вводятся через коллекторы, внутренние или внешние, по отношению к набору топливных ячеек, в соответствующие реакционные камеры, расположенные между сепараторной пластиной и электролитом.

В настоящее время существует и/или разрабатывается ряд систем топливных ячеек, которые конструируются для использования в различных приложениях, которые включают в себя выработку электроэнергии, автомобильную технику и другие приложения, где необходимо избегать загрязнения окружающей среды. Они включают в себя топливные ячейки из расплавленного карбоната, топливные ячейки из твердых оксидов, топливные ячейки из фосфорных кислот и топливные ячейки с протонной обменной мембраной. Одна проблема, связанная с успешной работой каждого из этих типов топливных ячеек, заключается в управлении температурой топливных ячеек и устранении продуктов, которые образуются внутри топливной ячейки в результате электрохимических реакций.

Коммерчески выгодные наборы топливных ячеек могут содержать вплоть до шестисот отдельных секций топливных ячеек, каждая из которых имеет плоскую область с площадью вплоть до 1,11 м² (12 квадратных футов). При сложении в стопку состояний таких отдельных ячеек сепараторные пластины разделяют отдельные ячейки, при этом топливо и окислитель вводят между набором сепараторных пластин, причем топливо вводят между одной лицевой стороной сепараторной пластины и анодной стороной электролита, а окислитель вводят между другой лицевой стороной сепараторной пластины и стороной катода второго электролита. Набор ячеек, содержащий шестьсот ячеек, может иметь высоту вплоть до 6,09 м, что представляет серьезную проблему для поддержания целостности ячейки во время нагревания и работы набора топливных ячеек. Из-за тепловых градиентов в пределах комплекта ячеек и условий работы ячеек возникают очень сложные технические проблемы, связанные с различными тепловыми расширениями, необходимым сопротивлением материалов, которые требуются для различных элементов и минимальными допусками. В связи с этим чрезвычайно важным представляется управление температурой ячеек, и если это не выполняется с минимальным температурным градиентом, то однородная плотность тока не будет поддерживаться и произойдет ухудшение параметров ячейки.

В топливной ячейке с протонной обменной мембраной (ПОМ) электролит является органическим полимером в форме протонной проводящей мембраны, такой как перфторсульфокислотный полимер. Этот тип топливной ячейки работает лучше тогда, когда мембрана электролита сохраняется влажной за счет воды, так как мембрана не будет работать эффективно, когда она будет сухой. Во время работы ячейки вода медленно просачивается через мембрану со стороны анода в сторону катода наряду с движением протонов через мембрану. Это приводит к высыханию стороны анода мембраны, а также к созданию водяной пленки на стороне катода мембраны. Поверхность катода дополнительно смачивается продукционной водой, которая образуется в ходе электрохимической реакции. Таким образом, критическим для работы топливной ячейки ПОМ является то, что продукционная вода будет непрерывно устраняться со стороны катода мембраны, при этом поддерживая сторону анода мембраны влажной для того, чтобы ускорить электрохимическую реакцию и увеличить проводимость мембраны.

Вопросу управления процессом смачивания в топливной ячейке с протонной обменной мембраной посвящен ряд патентов США. В патенте США 4769297 описывается использование топливной ячейки из твердого полимера, в которой вода подается с помощью газа анода на сторону анода мембраны. Некоторая часть воды перемещается через набор от ячейки к ячейке, причем миграция воды происходит в результате просачивания воды от анода через мембрану в сторону катода и с помощью использования пористой гидрофильной сепараторной пластины, расположенной между соседними секциями ячеек. Вода принудительно проходит через пористую сепараторную пластину из-за разности давления реагентов, которая поддерживается между катодом и анодом. Пластины, поддерживающие анод, обеспечивают большую площадь поверхности, с которой вода испаряется, выполняя при этом функцию охлаждения. Показанную сепараторную пластину следует изготавливать из графита.

В патенте США 4824741 описывается система топливных ячеек, в которых используется анодная пластина из пористого графита. Вода подается на пористую пластину и газ-реагент анода увлажняется за счет испарения с поверхности пластины. Протонная обменная мембрана увлажняется при контакте с влажной пористой пластиной анода. Непористая газонепроницаемая сепараторная пластина, расположенная рядом с пластиной катода, используется для предотвращения перехода газа от анода к катоду. Смотри также патент США 4826741, патент США 4826742, патент США 5503944 и заявку РСТ WO 94/15377.

В патенте США 4175165 описаны биполярные сепараторные пластины, которые используются в ячейках с протонной обменной мембраной, выполненные из графита или из композиционных материалов из графитового углерода, связанные смолой, и имеющие каналы для прохождения газа. В этом патенте описывается процесс пропитки сепараторных пластин путем покрытия поверхностей смачивающим агентом, таким как коллоидальные силикатные золи, для того, чтобы их поверхности стали гидрофильными. В этом способе вода, которая образуется в топливной ячейке, притягивается на расстоянии от электродов для последующего размещения. Однако покрытие поверхностей смачивающим агентом приводит к нежелательному увеличению электрического сопротивления поперек пластины, приводя в результате к низкой проводимости. В патенте США 3634569 описывается способ получения плотных графитовых пластин из смеси порошкообразного графита и термоусадочной смолы для использования в кислотных топливных ячейках. В способе используется смесь из 5-25 мас.% связующего вещества из термоусадочной фенольной смолы и 75-95 мас.% сортированного по крупности порошкообразного графита. Графитовые и смоляные биполярные пластины также описаны в патенте США 4339322 (биполярная пластина состоит из формованного термопластичного фторполимера, графита и углеродных волокон), в патенте США 4738772 (сепараторные пластины содержат 50 мас.% графита и 50 мас.% термоусадочной фенольной смолы), в патенте США 5108849 (панели для прохождения змеевика в сепараторной пластине топливных ячеек, которые состоят из непористого графита или других стойких к коррозии металлических порошков и термопластичной смолы, такой как фторид поливинилидена, в составе 10-30 мас.% смолы и 70-90 мас. % графитового порошка), в патенте США 4670300 (пластина топливных ячеек содержит 20-80% графита и целлюлозных волокон, которые находятся в равновесии, или целлюлозных волокон и термоусадочной смолы в равных пропорциях), в патенте США 4592968 (сепараторная пластина, которая состоит из графита, кокса и термоусадочной фенольной смолы, содержащей углерод, которые затем графитируют при температуре 2760^oС), в патенте США 4737421 (пластина топливной ячейки состоит из углерода или графита в пределах 5-45%, термоусадочной смолы в пределах 40-80% при балансе с целлюлозными волокнами), в патенте США 4627944 (пластина топливной ячейки состоит из углерода или графита, термоусадочной смолы или целлюлозных волокон), в патенте США 4652502 (пластина топливной ячейки изготовлена из 50% графита и 50% термоусадочной смолы), в патенте США 4301222 (сепараторная пластина изготовлена из смеси 40-65% графита и 35-55% смолы) и в патенте США 4360485 (сепараторная пластина изготовлена из смеси 45-65% графита и 35-55% смолы).

В патенте АТ-В-389020 описывается водородо-кислородно-топливная ячейка, содержащая мембрану и сепараторные пластины. Для уменьшения обезвоживания мембраны ячейки предложено изготавливать мембрану и поры сепараторных пластин (микропоры 0,001 - 1 мкм) или включать гидрофильные агенты с микропорами наподобие каолина или микроасбестов в пределах размеров от 0,001 до 1 мкм. Поры наполняются водой во время применения и капиллярные силы достаточны для того, чтобы сделать сепараторную пластину газонепроницаемой.

Обнаружено, что биполярные сепараторные пластины, предназначенные для использования в топливных ячейках с протонной обменной мембраной, обладают многочисленными уникальными свойствами, которые имеют большое значение при их дальнейшем производстве и эксплуатации и которые не отражены в предшествующем уровне техники. Они включают в себя водопроницаемость пластины по отношению к электронной проводимости пластины, силу сжатия пластины, функциональность пластины по отношению к своей способности поддерживать свою способность к поглощению воды и способность пластины выдерживать чередующееся тепловое воздействие в условиях замерзания и оттаивания, которые, вероятно, могут иметь место при применении топливной ячейки в автомобилях. Кроме того, сепараторную пластину следует конструировать из недорогих исходных материалов, то есть, материалов, которые позволяют достаточно просто придать пластине любую конфигурацию, предпочтительно с использованием одноэтапного процесса формования, материалов, которые являются устойчивыми к коррозии при низкой температуре топливных ячеек и не требуют дополнительной обработки, такой как высокотемпературная тепловая обработка, и с использованием способа получения пластин, в котором гидрофильность или пористость пластины можно было бы контролировать.

Соответственно задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы выполнить биполярную сепараторную пластину, подходящую для использования в топливной ячейке, с протонной обменной мембраной, которая является относительно недорогой для изготовления.

Другая задача настоящего изобретения заключается в выполнении биполярной сепараторной пластины, которая имеет улучшенные свойства для устранения воды и внутреннее увлажнение топливной ячейки с протонной обменной мембраной.

Другая задача настоящего изобретения заключается в выполнении биполярной сепараторной пластины для топливной ячейки с протонной обменной мембраной, использующей силу сжатия более чем приблизительно 14 кг/см².

Другая задача настоящего изобретения заключается в выполнении сепараторной пластины для топливной ячейки с протонной обменной мембраной, которая подходит для использования в наборе топливных ячеек с полностью внутренними коллекторами.

Другая задача настоящего изобретения заключается в выполнении способа получения биполярной сепараторной пластины, подходящей для использования в топливной ячейке с протонной обменной мембраной. Эти и другие задачи настоящего изобретения достигаются с помощью биполярной сепараторной пластины, содержащей по меньшей мере один материал, проводящий электрический ток, в количестве в пределах приблизительно 50-95 мас.% сепараторной пластины, по меньшей мере одной смолы в количестве, по меньшей мере приблизительно 5 мас. % сепараторной пластины, и по меньшей мере один гидрофильный агент, подходящий для использования в топливной ячейке с протонной обменной мембраной для притягивания воды в сепараторную пластину. Материал, проводящий электрический ток, смола и гидрофильный агент по существу равномерно диспергированы по всей сепараторной пластине. Согласно одному конкретному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, материал, проводящий электрический ток, является материалом, содержащим углерод и проводящим электрический ток, и гидрофильный агент является гидрофильной смолой.

Биполярную сепараторную пластину, согласно настоящему изобретению, изготавливают с помощью смешивания по меньшей мере одного материала, проводящего электрический ток, предпочтительно материала, содержащего углерод, по меньшей мере одной смолы и по меньшей мере одного гидрофильного агента до образования по существу однородной смеси, содержащей материал, проводящий электрический ток, в количестве в пределах приблизительно 50-95 мас.% смеси, по меньшей мере одной смолы в количестве, по меньшей мере, приблизительно 5 мас.% смеси и по меньшей мере одного гидрофильного агента. Смесь затем формуют в требуемую форму при температуре в пределах приблизительно 121-426^oС, температура которой зависит от используемой смолы, и давление находится в пределах приблизительно 35-281 кг/см², в результате чего образуется биполярная пластина. Биполярная сепараторная пластина, изготовленная в соответствии с этим способом, имеет пористость в пределах приблизительно от 0 до приблизительно 25% объема пластины и предпочтительно образует множество пор, имеющих средний размер пор в пределах приблизительно от 0,25 до приблизительно 2,0 мкм.

Сущность изобретения иллюстрируется ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:

фиг. 1а изображает вид сбоку набора топливных ячеек ПОМ с сепараторными пластинами, состоящими из одной части, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг. 1b изображает вид сбоку набора топливных ячеек ПОМ с сепараторными пластинами, состоящими из двух частей, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг. 2 изображает в графическом виде соотношение в процентах диоксида кремния как смачивающего агента в сепараторной пластине в зависимости от проводимости сепараторной пластины;

фиг. 3 изображает в графическом виде зависимость между диоксидом кремния в процентах в сепараторной пластине и водой, которая поглощается сепараторной пластиной;

фиг.4 изображает схему, показывающую конфигурацию внутренних коллекторов набора топливных ячеек.

Настоящее изобретение представляет собой газонепроницаемую биполярную сепараторную пластину для топливной ячейки с протонной обменной мембраной, которая содержит по меньшей мере один материал, проводящий электрический ток, по меньшей мере одну смолу и по меньшей мере один гидрофильный агент, в котором материал, проводящий электрический ток, смола и гидрофильный агент по существу равномерно диспергированы по всей сепараторной пластине. Биполярная сепараторная пластина настоящего изобретения устраняет потребность во внешнем увлажнении топливных ячеек протонной обменной мембраны и обеспечивает управление по теплу и устранение продукционной воды в системе с набором топливных ячеек. Предпочтительный состав биполярной сепараторной пластины настоящего изобретения содержит смесь графита и смолы, которая при формовке в мягких условиях давления и температуры позволяет получить биполярную пластину, проводящую электрический ток, легкую по весу и пригодную для использования в химических системах при низкой температуре, таких как топливные ячейки с протонной обменной мембраной.

Пластину можно выполнить с проходами для протекания жидкостей с реагентами для требуемой электрохимической системы. Пластину можно выполнить с различной степенью проводимости для использования в требуемой электрохимической системе. Пластину можно выполнить с различной степенью пористости для управления прохождением воды в электрохимических системах. И наконец пластину можно выполнить с различной степенью гидрофильности для использования при управлении прохождения воды или тепла в электрохимических системах. В соответствии с конкретным предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения биполярная сепараторная пластина содержит по меньшей мере один материал, проводящий электрический ток, в количестве в пределах приблизительно от 50 до приблизительно 95 мас.% сепараторной пластины, по меньшей мере одну смолу в количестве по меньшей мере приблизительно 5 мас.% сепараторной пластины и по меньшей мере один гидрофильный агент. Согласно конкретному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, сепараторная пластина сформирована из состава, содержащего смесь приблизительно 50-95 мас. % графитового материала, графита приблизительно от 5 до приблизительно 30 мас.% типа термоусадочной смолы, от 0 до приблизительно 45 мас.% углеродных волокон и от 0 до приблизительно 25 мас.% диоксида кремния. Состав затем формуют при повышенной температуре в пределах от приблизительно 121 до приблизительно 426^oС и давление в пределах приблизительно от 35 до приблизительно 281 кг/см². Проводимость сформованного материала, полученного таким способом, составляет по меньшей мере приблизительно 5 S/cm, которая представляет минимально возможную проводимость, которая требуется для использования в топливной ячейке с протонной обменной мембраной. Пористость сформованного материала может составлять вплоть до приблизительно 25% объема. Давление пузырьков сформованного материала, которое увеличивается с уменьшением объема пластины, составляет, по меньшей мере, приблизительно 0,25 кг/см².

Как показано выше, в топливных ячейках с протонной обменной мембраной используются электролитические мембраны из твердого полимера, которые работают лучше, когда электролитическая мембрана поддерживается с помощью воды во влажном состоянии. Во время работы топливной ячейки с протонной обменной мембраной вода просачивается через мембрану со стороны анода в направлении стороны катода наряду с движением протонов через мембрану. Это явление приводит к высыханию стороны анода мембраны, при этом на поверхности, обращенной к катоду, мембраны образуется капля воды. Поверхность, обращенная к катоду, дополнительно смачивается продукционной водой, которая образуется в ходе электрохимической реакции и которая появляется на поверхности, обращенной к катоду. Несмотря на правильное управление, вода на стороне, обращенной к катоду, особенно если она имеет вид капли, может закупоривать каналы с окислителем и таким образом препятствовать доступу газа окислителя к катализатору и уменьшать скорость электрохимической реакции,

Соответственно важно, чтобы вода подавалась к стороне анода мембраны в топливной ячейке для предотвращения высыхания и чтобы вода непрерывно устранялась со стороны катода для предотвращения образования капелек воды на поверхности мембраны. Таким образом, сепараторная пластина настоящего изобретения должна иметь достаточную гидрофильность не только для предотвращения накопления воды на стороне катода, а также для поддержания распределения воды по всей сепараторной пластине. Благодаря наличию воды на всей сепараторной пластине существенно уменьшается потенциал смешивания газов-реагентов поперек сепараторной пластины. Соответственно биполярная сепараторная пластина настоящего изобретения содержит по меньшей мере гидрофильный агент, по существу, равномерно диспергированный по всей пластине, подходящей для использования в ячейке с протонной обменной мембраной для притягивания воды в сепараторную пластину. Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере одна смола сепараторной пластины является гидрофильной. Согласно конкретному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, гидрофильная смола является фенол-формальдегидной термоусадочной смолой.

Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере один гидрофильный агент является смачивающим агентом, предпочтительно выбранным из группы, состоящей из оксидов Ti, Al, Si или их смесей. В силу дисперсии гидрофильного агента по всей площади сепараторной пластины сепараторная пластина настоящего изобретения имеет достаточную водопроницаемость, которая позволяет устранить по меньшей мере приблизительно 5,5 см³ в минуту продукционной воды при плотности тока 1,11 А на квадратный сантиметр при разности давления менее чем приблизительно 0,70 кг/см².

Одним из применений топливной ячейки с протонной обменной мембраной является выработка электроэнергии в автомобиле. В этом приложении топливная ячейка подвержена воздействию температуры в широком диапазоне значений и может подвергаться многочисленным циклам замораживания/оттаивания в течение ее срока эксплуатации. Предполагается, что удержание воды внутри сепараторной пластины в результате поглощения воды пластиной благодаря дисперсии гидрофильного агента по всей пластине приведет в результате к образованию трещин в пластине после чередования температурных режимов между замораживанием и оттаиванием. Удивительно, что в биполярной сепараторной пластине настоящего изобретения при поглощении воды 18 мас.% не происходило образования трещин после проведения двенадцати циклов замораживания/оттаивания.

В патенте США 4175165 описывается использование различных смачивающих агентов, таких как коллоидальные золи диоксида кремния или алюминия с большой площадью поверхности или композиций алюминия диоксида кремния, которые осаждаются на поверхности сепараторных пластин, размещенных на ней. Однако алюминий и диоксид кремния, а также другие смачивающие агенты являются обычно электрическими изоляторами. Таким образом, приложение смачивающих агентов к поверхности сепараторных пластин делает поверхность гидрофильной, а также приводит к увеличению контактного сопротивления поверхности пластин, таким образом увеличивая внутреннее сопротивление секций ячеек, что, в свою очередь, ведет к снижению энергии вырабатываемой ячейкой.

Удивительно, что в сепараторной пластине настоящего изобретения используется смачивающий агент, который равномерно диспергирован по всей сепараторной пластине и позволяет поддерживать достаточную электрическую проводимость. Согласно одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, смачивающий агент добавляют в виде мелких частиц в смесь материала, проводящего электрический ток, и смолы и смешивают их до однородной массы для получения равномерной дисперсии смачивающего агента. Однако его можно также добавить в качестве дисперсного раствора, который при тщательном смешивании с материалом, проводящим электрический ток, и смолой позволяет получить ту же самую равномерно смешенную формующуюся смесь. Предполагается, что смачивающий агент способствует образованию пор в формованном продукте благодаря предотвращению образования одной непрерывной фазе в смоле и других компонентов. Сходство этих смачивающих агентов с водой уменьшает поверхностное натяжение между водой и формованным продуктом. В результате вода при контакте с формованной пластиной имеет тенденцию к образованию пленки на поверхности формованной пластины, а не к образованию капель. Так как сформованная пластина может содержать поры, эти поры заполняются водой гораздо легче благодаря гидрофильной природе пластин. Если приложить поперек пластины достаточную по значению разность давления, вода может проходить от одной лицевой стороны пластины к другой лицевой стороне пластины. Другим вопросом, посвященным сепараторной пластине настоящего изобретения, является стабильность пластины. Обнаружено, что пластина настоящего изобретения сохраняет 99% своего первоначального веса после более чем 1200 часов работы в воде при температуре в 90^oС. В течение этого периода поглощение воды в пластине также сохраняется постоянным на уровне 18 мас.%.

Зависимость проводимости сепараторной пластины настоящего изобретения от содержания диоксида кремния показана на фиг.2, причем в этом случае было изготовлено множество пластин с различным количеством диоксида кремния, равномерно диспергированного в них. Сепараторная пластина, с учетом которых были получены эти данные, содержали термоусадочную смолу в количестве приблизительно 12,5 мас.% сепараторной пластины, диоксида кремния в количестве в пределах 0 и 10 мас.% сепараторной пластины и графита в количестве в пределах приблизительно от 77,5 до 87,5 мас.% сепараторной пластины.

Сепараторная пластина, подходящая для использования в топливных ячейках с протонной обменной мембраной, должна иметь электрическую проводимость не хуже, чем приблизительно 5 См/см, и предпочтительно не хуже приблизительно 75 См/см. Пластины настоящего изобретения могут быть пористыми и непористыми, но в любом случае должны быть газонепроницаемыми. Согласно конкретному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, пластины являются пористыми, причем пористость составляет менее чем приблизительно 25% по объему. Диаметр пор сепараторной пластины согласно настоящему изобретению находится предпочтительно в пределах от 0,25 до приблизительно 2 мкм, со средним диаметром пор предпочтительно в пределах приблизительно от 0,5 до приблизительно 1,5 мкм.

Кроме гидрофильного агента сепараторная пластина настоящего изобретения содержит по меньшей мере один материал, проводящий электрический ток, и по меньшей мере одну смолу, причем материал, проводящий электрический ток, присутствует в количестве приблизительно от 50 до приблизительно 95 мас.% сепараторной пластины, и по меньшей мере одна смола присутствует в количестве по меньшей мере приблизительно 5 мас.% сепараторной пластины. Подходящие материалы, проводящие электрический ток, для использования в сепараторной пластине настоящего изобретения выбирают из группы, состоящей из материалов, содержащих углерод, металлов, сплавов металлов, карбидов металлов, нитридов металлов и их смесей. Подходящий металл включает в себя титан, ниобий, тантал и такие сплавы как хасталой. Согласно конкретному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, материал, проводящий электрический ток, является материалом, который содержит углерод и который выбирается из группы, состоящей из графита, газовой сажи, углеродных волокон и их смесей. Графит или различные поставляемые углеродные соединения, проводящие электрический ток, такие как газовые сажи, проводящие электрический ток, являются особенно предпочтительными. Использование материалов на основе углерода уменьшает стоимость, связанную с изготовлением, а также упрощает процесс изготовления средства управления потокам газа, такими как каналы, в пластинах и прессование пластин.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, сепараторная пластина содержит вплоть до приблизительно 10 мас.% углеродных волокон. Добавление углеродных волокон не только усиливает пластину, но также способствует поглощению воды и повышению проводимости пластины.

Сепараторная пластина в соответствии с настоящим изобретение также содержит более чем приблизительно 5% смолы. Смола используется в качестве связующего вещества для формованной сепараторной пластины и, как обсуждалось ранее, может повысить гидрофильность пластины. Подходящие смолы включают в себя термоусадочные смолы, термопластичные смолы и их смеси. Подходящие термопластичные смолы для использования в сепараторной пластине настоящего изобретения включают в себя фториды поливинилидена, поликарбонаты, нейлоны, политетрофторэтилены, полиуретаны, полистеролы, полипропилены и HDPI. Предпочтительные термоусадочные смолы выбирают из группы, которая состоит из фенольной смолы, альдегидов, эпоксидных смол и винилов. Следующие примеры представлены для того, чтобы показать соотношение между различными составами сепараторной пластины настоящего изобретения и свойствами сепараторной пластины, которые получаются в результате этого. В каждом случае сепараторные пластины с размером пор 10,16 х10,16 см были сформованы из различных смесей фенольной смолы Варкум 29338 (Varcum 29338), у которой размер частиц составляет менее 200 меш и которая поставляется фирмой Оксидентл Кемикл Корпорейшн, Далос, Техас (Occidental Chemical Corporation of Dallas, Texas), при этом размер частиц диоксида кремния составляет 40 нм, углеродные волокна имеют длину приблизительно 150 мкм и графитовый порошок имеет размер частичек менее 200 меш. Порошки тщательно смешивали и формовали в пластину при давлении 70 кг/см² и температуре 204,44^oС. примеры I - IV показывают влияние диоксида кремния как смачивающего агента на проводимость и гидрофильность сепараторных пластин при комнатной температуре. Проводимость и гидрофильность в зависимости от содержимого диоксида кремния показаны также на фиг.2 и 3 соответственно. Пример V показывает свойство сепараторной пластины, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, имеющей 10 мас.% графита, замененного на углеродные волокна. По результатам примеров I - IV можно увидеть, что так как в состав добавляют диоксид кремния, то гидрофильность пластин увеличивается, как показано, на величину поглощения воды, при этом электрическая проводимость пластины уменьшается. Однако при замещении вплоть до 10 мас.% углеродных волокон на часть графитового материала, проводящего электрический ток, который используется в композиции, пористость пластин увеличивается, количество смачивающего агента (диоксид кремния), который требуется для достижения существенного поглощения воды (18%) уменьшается, и проводимость пластины при сниженном уровне диоксида кремния поддерживается по всей пластине, имеющей соответствующие количество диоксида кремния и не имеющей углеродного волокна (пример II).

Пример I

Пластина была сформованная при давлении 70 кг/см² и температуре 204,44^oC с составом и свойствами, приведенными в табл.1 (см. в конце описания).

Пример II

Пластина была сформованная при давлении 70 кг/см² и температуре 204,44^oC с составом и свойствами, приведенными в табл.2 (см. в конце описания).

Пример III

Пластина была сформованная при давлении 70 кг/см² и температуре 204,44^oC с составом и свойствами, приведенными в табл.3.

Пример IV

Пластина была сформованная при давлении 70 кг/см² и температуре 204,44^oC с составом и свойствами, приведенными в табл.4.

Пример V

Пластина была сформованная при давлении 70 кг/см² и температуре 204,44^oC с составом и свойствами, приведенными в табл.5.

Вязкость - это способность напряженного тела восстанавливать свой размер и форму после деформации, обусловленной, например, сжимающим усилием. Вязкость графита, который используется в сепаратной пластине по настоящему изобретению, составляет приблизительно 26%. То есть после воздействия нажимающим усилием графит расширяется до приблизительно 126% от своего сжатого вида и формы. В противоположность этому углеродное волокно имеет значительно более высокую вязкость. Сепараторная пластина, имеющая более высокую вязкость благодаря вязкости отдельных компонентов, содержащих сепараторную пластину, нежелательна, потому что она ограничивает размеры пор, которые можно достигнуть. В частности, использование материала, который имеет более высокую вязкость, приводит в результате к пластине, которая имеет более высокие размеры пор, тогда как использование материалов, имеющих низкие значения вязкости, приводит в результате к пластине, которая имеет меньшие размеры пор.

Более высокие значения размеров пор обычно уменьшают давление, необходимое для газов-реагентов, которые проходят с одной стороны сепаратной пластины к другой и приводят в результате к уменьшению проводимости пластины. Пластины, использующие материалы с низкой вязкостью, являются обычно более прочными и имеют большую проводимость. Обнаружено, что смесь графита и углеродного волокна, которое используется в примере V, приводит в результате к пластине, которая имеет вязкость, соответствующую вязкости только одного графита. Этот факт удивителен для тех специалистов, которые ожидают, что добавление углеродного волокна, которое имеет по существу более высокую вязкость по сравнению с графитом, приведет в результате к пластине, которая имеет значительно более высокую вязкость. Таким образом, согласно конкретному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, количество углеродного волокна, которое присутствует в сепараторной пластине настоящего изобретения меньше чем приблизительно 10 мас.%.

Давление пузырьков сепараторной пластины относится к ее способности предотвращать переход газов-реагентов с одной стороны сепараторной пластины на другую. Давление пузырьков является положительным давлением воды в поре сепараторной пластины, которое обратно пропорционально размерам пор в пластине. То есть, чем меньше средний размер пор, тем больше давление, оказываемое водой, поглощаемой в пластине. Давление пузырьков таким образом имеет давление, выше которого газы- реагенты будут вынуждены проходить через пластину, насыщенную водой, приводя в результате к нежелательному смешиванию двух реагентов, а также к вводу газов-реагентов в проходы для охлаждающей жидкости, находящейся в сепараторной пластине. Обнаружено, что сепараторные пластины настоящего изобретения имеют давление пузырьков более 0,35 кг/см². Предпочтительные варианты осуществления сепараторной пластины настоящего изобретения имеют значения давления пузырьков более 0,70 кг/см² и наиболее предпочтительно более 1,40 кг/см².

На фиг.1a и 1b показан набор 15 топливных ячеек, имеющий множество секций 20 топливных ячеек, причем каждая секция топливных ячеек содержит протонную обменную мембрану 25, электрод 30 анода на одной стороне и электрод 35 катода на другой стороне. Между электродом 30 анода и мембраной 25 расположен анодный катализаторный слой 31 и между электродом 35 анода и мембраной 25 расположен слой 31 катализатора анода, и между электродом 35 катода и мембраной 25 расположен подходящий слой 36 катализатора катода. Биполярная сепараторная пластина 39 является электродом 30 анода с разделяющим одну секцию топливной ячейки от электрода 35 катода соседней секцией топливной ячейки.

Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения (фиг.1a), сепараторная пластина 39 по настоящему изобретению представляет собой сепараторную пластину, состоящую из одной части и содержащую лицевую сторону 40, обращенную к катоду, и лицевую сторону 45, обращенную к аноду, причем лицевая сторона 40, обращенная к катоду, образует множество проточных каналов 41 для газа окислителя, который простирается насквозь для того, чтобы обеспечить контакт между окислителем в каналах катода с электродом 35 катода. Аналогично лицевая сторона 45, обращенная к аноду, образует подходящие проточные каналы 46 для газа топлива, которые сформированы в нем для того, чтобы обеспечить контакт между газом топлива и электродом 30 анода.

Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения (фиг.1b), сепараторная пластина 39 выполнена из двух пластин, пластины 39a, обращенной к катоду, и пластины 39b, обращенной к аноду. Для выполнения охлаждения водой набора переходы пластины 39a, обращенной к катоду, и пластины 39b, обращенной к аноду, образуют множество каналов 34 для охлаждения водой.

Набор топливных ячеек дополнительно включает в себя сепараторную оконечную пластину 50 катода и сепараторную оконечную пластину 60 анода. Оконечные пластины 50 и 60 являются недоступными для воды и с другой стороны запаяны для предотвращения утечки. Подходящие механизмы натяжения и прокладки (не показаны) выполнены для скрепления компонентов набора вместе.

С учетом этого сепараторная пластина настоящего изобретения должна быть достаточно прочной для того, чтобы противостоять раздавливанию под действием усилий, которые прикладываются к ней во время сборки набора топливных ячеек. Прочность на раздавливание сепараторной пластины должна быть больше 14 кг/см². Сепараторная пластина, полученная в соответствии с примером 5, имеет прочность на раздавливание более 147 кг/см². Помимо прочности на раздавливание сепараторная пластина настоящего изобретения должна иметь определенную степень гибкости, которая дает возможность ей приспосабливаться к другим компонентам сборки набора топливных ячеек. Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, сепараторная пластина имеет минимальную гибкость 3,5% или приблизительно 3,63 см на линейный метр без разрушения.

Как описано выше, углеродные волокна можно добавить в сепараторные пластины настоящего изобретения, и углеродные волокна предпочтительно по существу равномерно распределены по всей площади пластины в количестве вплоть до 20 мас.% сепараторной пластины, но наиболее предпочтительно менее 10 мас. % сепараторной пластины. Так как углеродные волокна являются дорогостоящими, их использование является необязательным, но преимущественным, потому что они обеспечивают пористость и структурную прочность без потери проводимости, как и при использовании соответствующего количества смачивающего агента.

Как видно из примеров, существует баланс, который необходимо достигнуть в составе сепараторной пластины для того, чтобы выполнить пластину с требуемой проводимостью и гидрофильностью. Примеры показывают, что при увеличении количества смачивающего агента в виде SiO₂ с целью повышения гидрофильности проводимость пластины уменьшается. На фиг.3 изображено увеличение количества воды, поглощенной в пластине, при увеличении содержимого SiO₂, тогда как на фиг. 2 изображено уменьшение проводимости при увеличении содержимого SiO₂. Точки данных пересекают при содержимом диоксида кремния равным приблизительно 5 мас.%. Соответственно предпочтительный диапазон диоксида кремния, используемого в сепараторной пластине настоящего изобретения, находится в пределах приблизительно от 1 до 10 мас.%, и наиболее предпочтительно в пределах приблизительно 2-4 мас.%. Добавление углеродных волокон, как описано выше, вплоть до 20 мас.% обеспечивает дополнительную пористость без потери проводимости. Однако углеродные волокна являются дорогостоящими и поэтому необходимо минимизировать используемое их количество.

Сепараторная пластина в соответствии с настоящим изобретением подходит для использования в наборе топливных ячеек с внешними коллекторами или в наборе топливных ячеек с внутренними коллекторами. В наборе топливных ячеек с внешними коллекторами газы-реагенты продаются из внешних коллекторов, которые подсоединяются к крайним областям набора топливных ячеек, тогда как в наборе топливных ячеек с внутренними коллекторами газы-реагенты подаются через коллекторы, сформированные с помощью отверстий в элементах ячеек с реакционными участками. Набор топливных ячеек с внутренними коллекторами, использующий биполярную сепараторную пластину, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, показан на фиг.4. Как показано на фиг.4, ионообменные мембраны 25 и сепараторные пластины 39 набора топливных ячеек простираются до периферийного края набора. Сепараторные пластины 39 снабжены уплощенными периферийными уплотняющими структурами 43, которые простираются от каждой лицевой поверхности, обеспечивая контакт ионообменных мембран вокруг по всему периметру, образуя таким образом периферийное уплотнение. Каждая ионообменная мембрана и сепараторная пластина образует множество отверстий 54 топливных коллекторов для подачи и отвода топлива и множество отверстий 55 коллекторов для подачи и отвода окислителя. Отверстия 54 и 55 коллекторов в сепараторных пластинах окружены уплощенными коллекторными уплотняющими структурами 56, 57, которые простираются от каждой лицевой стороны сепараторной пластины, обеспечивая контакт для ионообменной мембраны с образованием уплотнения коллектора и таким образом образуя множество коллекторов для газов окислителя и топлива, которые простираются через набор ячеек. Каналы 47, 47" проходят через уплощенные коллекторные уплотняющие структуры, окружающие отверстия 54 топливных коллекторов на лицевой стороне, обращенной к аноду, сепараторной пластины для того, чтобы обеспечить связь газа между одним набором коллекторов и областями реагента газа анода, образованными между анодами и лицевыми сторонами, обращенными к аноду, сепараторных пластин, и каналы 48, 48" проходят через уплощенную коллекторную уплотняющую структуру, окружающую отверстия 55 коллекторов для окислителя на лицевой стороне, обращенной к аноду, сепараторной пластины, обеспечивая при этом связь газа окислителя между вторым набором коллекторов и реакционными областями катода, образованными между катодами и лицевыми сторонами, обращенными к катоду, сепараторных пластин, таким образом обеспечивая полную внутреннюю разветвленность газов топлива и окислителя в и из каждой секции топливной ячейки в наборе топливных ячеек.

Биполярные сепараторные пластины, согласно настоящему изобретению, получают при смешивании по меньшей мере одного материала, проводящего электрический ток и предпочтительно содержащего углерод, по меньшей мере одной смолы и по меньшей мере одного гидрофильного агента для того, чтобы сформировать по существу однородную связь, содержащую в пределах приблизительно 50-95 мас.% материала, проводящего электрический ток, по меньшей мере, приблизительно 5 мас.% смолы и гидрофильного агента. Смесь затем формуют в требуемую форму при температуре в пределах от 121 до приблизительно 426^oC при давлении приблизительно от 35 до приблизительно 281 кг/см², таким образом формируя биполярную пластину.

Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, набор топливных ячеек ПОМ и таким образом сепараторная пластина настоящего изобретения содержит средство подачи и отвода воды для циркуляции и отвода воды для охлаждения из внутренней части набора топливных ячеек. Как показано на фиг. 1b, сепараторная пластина 39, содержащая пластину 39a, которая обращена к катоду, и пластину 39b, которая обращена к аноду, образуют множество каналов 34 для охлаждения водой на их границе. В наборе топливных ячеек с внутренними коллекторами (фиг.4) вода подается из отверстий 58 коллекторов для воды, которые снабжены расширенными коллекторными уплотняющими структурами для уплотнения расположенных напротив соседних компонентов ячеек и которые образуют каналы для связи между отверстиями 58 коллекторов для воды и каналами 34 для охлаждения водой, и вода отводится через отверстия 58" коллекторов для отвода воды.

Хотя представленное выше настоящее изобретение было описано по отношению к определенным его предпочтительным вариантом осуществления и многочисленные подробности были изложены с целью иллюстрации, специалистам будет ясно, что изобретение с успехом можно применить в других вариантах осуществления и что определенные подробности, описанные здесь, можно значительно изменить без отклонения от основных принципов изобретения.