Вузол паливного елемента та спосіб його виготовлення

1. Вузол паливного елемента, який містить паливний елемент, вбудований в композитну шарувату конструкцію, яка містить матеріал серцевини, всередину якого закладений паливний елемент, причому паливний елемент містить електролітну мембрану з першою і другою лицьовими поверхнями і розміщені прилеглими до відповідних лицьових поверхонь електролітної мембрани перший і другий електроди, що приєднуються до електричного кола, при цьому матеріал серцевини забезпечує опору для закладеного в нього паливного елемента і проточне сполучення через матеріал серцевини, дозволяючи пройти одному або більше текучим середовищам до першого і другого електродів, який відрізняється тим, що матеріал серцевини містить пористий матеріал з комірками, утвореними стінками комірок, причому щонайменше деякі з цих комірок є взаємозв'язаними для забезпечення можливості проходження текучого середовища між комірками через вибрані стінки комірок. 2. Вузол паливного елемента за пунктом 1, в якому матеріал серцевини виконаний з можливістю забезпечувати проходження першого текучого середовища до першого електрода, а другого текучого середовища - до другого електрода, при цьому зберігаючи розділення між цими першим і другим текучими середовищами. 3. Вузол паливного елемента за пунктом 2, в якому перше текуче середовище містить текуче пали 2 (19) 1 3 тю забезпечувати проходження текучого середовища до другого електрода крізь електролітну мембрану. 13. Вузол паливного елемента за пунктом 12, в якому матеріал серцевини виконаний з можливістю забезпечувати впускний тракт текучого середовища до першого електрода і, крізь електролітну мембрану, до другого електрода і випускний тракт текучого середовища від другого електрода, при цьому зберігаючи розділення між впускним і випускним трактами. 14. Вузол паливного елемента за пунктом 13, в якому матеріал серцевини містить перший і другий матеріали серцевини, утворюючі між собою межу розділу, причому перший і другий матеріали серцевини відділені вздовж щонайменше частини цієї межі розділу проміжним шаром, який є по суті непроникним для текучого середовища, при цьому перший матеріал серцевини забезпечує впускний тракт текучого середовища, а другий матеріал серцевини забезпечує випускний тракт текучого середовища. 15. Вузол паливного елемента за будь-яким з пунктів 11-14, в якому текуче середовище містить суміш першого і другого текучих середовищ. 16. Вузол паливного елемента за пунктом 15, в якому перше текуче середовище містить текуче паливо, а друге текуче середовище містить текучий реагент. 17. Вузол паливного елемента за пунктом 16, в якому текучий реагент являє собою окисник. 18. Вузол паливного елемента згідно з щонайменше пунктом 2 або пунктом 15, в якому перший електрод дає селективний відгук на перше текуче середовище, а другий електрод дає селективний відгук на друге текуче середовище. 19. Вузол паливного елемента за будь-яким з попередніх пунктів, в якому поруч з першим електродом і в проточному сполученні з ним передбачена перша дифузійна ділянка, причому матеріал серцевини виконаний з можливістю забезпечувати проходження текучого середовища до цієї першої дифузійної ділянки. 20. Вузол паливного елемента за пунктом 19, в якому поряд з другим електродом і в проточному сполученні з ним передбачена друга дифузійна ділянка, причому матеріал серцевини виконаний з можливістю забезпечувати проходження текучого середовища до цієї другої дифузійної ділянки. 21. Вузол паливного елемента за пунктом 19 або пунктом 20, в якому перша і/або друга дифузійна ділянка містить шар дифузійного середовища, такий як графітовий папір. 22. Вузол паливного елемента за пунктом 19 або пунктом 20, в якому перша і/або друга дифузійна ділянка виконана за одне ціле з матеріалом серцевини, який, в межах цієї дифузійної ділянки, виконаний з можливістю розподіляти текуче середовище по суті по всьому відповідному електроду. 23. Вузол паливного елемента за будь-яким з попередніх пунктів, в якому пористий матеріал являє собою стільникову панель з комірками, утвореними непроникними для текучого середовища стінками комірок, причому згадані щонайменше деякі з 90760 4 комірок є взаємозв'язаними перфораційними отворами у вибраних стінках комірок. 24. Вузол паливного елемента за будь-яким з попередніх пунктів, в якому пористий матеріал являє собою піну, яка містить порожнини, причому щонайменше деякі з цих порожнин з'єднані для забезпечення можливості проходження текучого середовища. 25. Вузол паливного елемента за будь-яким з попередніх пунктів, в якому пориста структура являє собою тримірне полотно, у якому щонайменше деякі з його комірок утворені проникними для текучого середовища стінками. 26. Вузол паливного елемента за пунктом 25, в якому щонайменше частина комірок в тримірному полотні оброблена смолою для запобігання проходженню крізь них текучого середовища. 27. Вузол паливного елемента за будь-яким з попередніх пунктів, в якому матеріал серцевини або щонайменше один з першого і другого матеріалів серцевини забезпечений виконаними механічною обробкою проточними каналами. 28. Вузол паливного елемента згідно з щонайменше пунктом 5 або 14, в якому і перший, і другий матеріали серцевини містять один і той самий матеріал. 29. Вузол паливного елемента за будь-яким з попередніх пунктів, в якому і перший, і другий електроди містять пористий каталізатор, диспергований на проникній для текучого середовища плівці. 30. Вузол паливного елемента за будь-яким з попередніх пунктів, який додатково містить дифузійний шар для текучого середовища, розміщений прилеглим до кожного електрода. 31. Вузол паливного елемента за будь-яким з попередніх пунктів, в якому матеріал серцевини додатково виконаний з можливістю забезпечувати проходження вихлопного текучого середовища назовні від щонайменше одного з електродів. 32. Вузол паливного елемента за будь-яким з попередніх пунктів, в якому на зовнішній стороні матеріалу серцевини передбачений матеріал обшивки. 33. Матриця паливних елементів, яка містить множину вузлів паливного елемента за будь-яким з пунктів 1-32, в якій множина паливних елементів вбудована в одну композитну шарувату конструкцію, а матеріал серцевини виконаний з можливістю забезпечувати проходження одного або більше текучих середовищ до кожного з цих паливних елементів. 34. Матриця паливних елементів за пунктом 33, в якій матеріал серцевини виконаний з можливістю забезпечувати проходження текучого середовища до щонайменше двох з паливних елементів по загальному тракту. 35. Матриця паливних елементів за пунктом 33 або 34, в якій матеріал серцевини містить множину матеріалів серцевини, кожний з яких відділений від наступного межею розділу, і на кожній з цих меж розділу розміщений щонайменше один паливний елемент. 36. Матриця паливних елементів за пунктом 35, в якій матеріал серцевини містить перший, другий і третій матеріали серцевини, кожний з яких відді 5 90760 6 лений межею розділу, причому на кожній з цих меж розділу розміщений щонайменше один паливний елемент. 37. Матриця паливних елементів за пунктом 35 або 36, яка додатково містить непроникний для текучого середовища проміжний шар, розміщений на кожній межі розділу, причому електролітні мембрани кожного паливного елемента вбудовані в ці проміжні шари. 38. Композитна конструкція, яка містить вузол паливного елемента за будь-яким з пунктів 1-32 або матрицю паливних елементів за будь-яким з пунктів 33-37. 39. Спосіб виготовлення вузла паливного елемента, який містить етапи: (A) забезпечення першого матеріалу серцевини, який дозволяє пройти крізь нього текучому середовищу; (B) прикріплення першої сторони паливного елемента, причому паливний елемент містить електролітну мембрану з першою і другою лицьовими поверхнями і розміщені прилеглими до відповідних лицьових поверхонь електролітної мембрани перший і другий електроди, що приєднуються до електричного кола, до першого матеріалу серцевини в такому положенні, при якому текуче середовище в першому матеріалі серцевини може контактувати з першою стороною паливного елемента; і (C) забезпечення другого матеріалу серцевини, який дозволяє пройти крізь нього текучому середовищу, і прикріплення його до другої сторони паливного елемента в такому положенні, при якому текуче середовище у другому матеріалі серцевини може контактувати з другою стороною паливного елемента, так що паливний елемент закладають всередині одержаного в результаті матеріалу серцевини; і вбудовування цього вузла в композитну шарувату конструкцію, який відрізняється тим, що щонайменше один з першого і другого матеріалів серцевини містить пористий матеріал з комірками, утвореними стінками комірок, причому щонайменше деякі з цих комірок є взаємозв'язаними для забезпечення можливості проходження текучого середовища між комірками через вибрані стінки комірок. 40. Спосіб виготовлення вузла паливного елемента за пунктом 39, в якому забезпечення першого матеріалу серцевини містить етапи: (А1) забезпечення пористого матеріалу; і (А2) взаємозв'язування щонайменше деяких з комірок в цьому матеріалі для створення проточного тракту текучого середовища. 41. Спосіб виготовлення вузла паливного елемента за пунктом 39 або 40, в якому прикріплення паливного елемента містить етапи: (B1) забезпечення непроникного для текучого середовища проміжного шару; (B2) вбудовування електролітної мембрани в цей проміжний шар; (B3) нанесення першого і другого електродів на першу і другу лицьові поверхні мембрани; (B4) нанесення струмознімачів на перший і другий електроди; і (B5) прикріплення проміжного шару і паливного елемента до першого матеріалу серцевини. 42. Спосіб виготовлення вузла паливного елемента за пунктом 39, в якому забезпечення другого матеріалу серцевини містить етапи: (С1) забезпечення пористого матеріалу; і (С2) взаємозв'язування щонайменше деяких з комірок в цьому матеріалі для створення проточного тракту текучого середовища. Цей винахід стосується вузла паливного елемента, в якому паливний елемент вбудований в композитну шарувату конструкцію. Композити набувають популярності в найрізноманітніших галузях промисловості з ряду причин, таких як хороша механічна міцність при низьких в порівнянні з класичними матеріалами щільностях, електроізоляційні властивості, стійкість до корозії і простота використання. У більшості сфер застосування вони забезпечують пасивний конструктивний об'єм в готовому виробі, і вже на них монтують окремі функціональні елементи, такі як електронні системи. Композиційні матеріали являють собою конструкційні матеріали, виконані з двох або більше компонентів, які спільно працюють на підвищення експлуатаційних характеристик цілого. Одним компонентом часто є міцне волокно, таке як скловолокно, кварцове, кевларове (Kevlar®) або вуглецеве волокно, яке надає композиту свою міцність на розтягнення, в той час як іншим компонентом (що називається матрицею) часто є смола, така як складний поліефір або епоксид, який зв'язує ці волокна одне з одним і звичайно робить весь матеріал міцним і жорстким. У деяких композитах замість або крім волокон використовуються агрегати. Композитні шаруваті конструкції являють собою композит особливої форми, що складається з окремих матеріалів, тісно зв'язаних один з одним з утворенням єдиного цілого. Звичайно він має вигляд плити або панелі (яка може бути далі вбудована в будь-який інший виріб). Такі конструкції звичайно виконані з двох зовнішніх обшивок з матеріалом серцевини, що тягнеться між ними. У деяких випадках можуть бути використані численні матеріали серцевини, і між кожним з них можуть бути введені додаткові матеріали обшивки. У деяких випадках зовнішня обшивка може бути забезпечена самим матеріалом серцевини (наприклад, в тих випадках, коли матеріал серцевини герметизують по його лицьовій поверхні, наприклад, за допомогою термічної обробки). Підходящі матеріали обшивки включають в себе композиційні ламінати і листи металу (наприклад, алюмінію, нержавіючої сталі, м'якої низько 7 вуглецевої сталі); дійсно, алюмінієві листи можуть бути укладені шарами разом з композиційними препрегами з утворенням структури, подібної до фанери. Вибір обшивки буде залежати від кінцевого призначення застосування. Відомі матеріали серцевини включають стільникову панель, піну, деревину, серцевину з жорсткою зв'язкою (truss core), шарувату серцевину, екструдовані продукти і трьохмірні полотна, вибір яких залежить від кінцевого призначення застосування по таких факторах, як міцність, жорсткість, займистість, формівність і легкість механічної обробки. Стільникова панель, піна і деякі трьохмірні полотна можуть бути загалом охарактеризовані як «пористі» матеріали. «Стільникова панель» - це загальне найменування ряду продуктів, що мають стільникову або шестикутну форму. Використовували і такі форми, як кругла, еліптична і квадратна, але переважною є шестикутна форма. Стільникова серцевина може бути створена з арамідного паперу (такого як Nomex® або Tyvec®, - обидва від DuPont), алюмінієвої фольги, крафт-паперу, тонких шаруватих склопластиків і листів термопласта. Цей матеріал може бути або гофрований, або з'єднаний у вузлах комірок, розтягнутий і термозатверділий з утворенням шестикутної структури. Піноматеріали серцевини основані на пористій структурі без будь-яких порядку або періодичності комірок, що спостерігаються. Існують три різних типи: піна з відкритими комірками, піна із закритими комірками і армована піна. У пінах з відкритими комірками порожнини (пори) з'єднані одна з одною, забезпечуючи можливість проходження крізь цюпіну газів тощо. В пінах із закритими комірками порожнини є окремими, розділеними стінками матеріалу. Армовані піни звичайно являють собою поєднання з двох або більше утворюючих піну матеріалів, при цьому один з цих матеріалів забезпечує армування (посилення). Наприклад, скло і смола можуть комбінуватися з утворенням армованої піни, яка загальновизнано називається синтетичною піною, при цьому армування забезпечує смола. Існують і інші армовані піни, до складу яких входить армування металом, такі як алюмінієва піна, яка складається з алюмінію і кераміки. В цілому, структури із закритими комірками забезпечують кращі механічні експлуатаційні характеристики, а структури з відкритими комірками дають кращі властивості зниження рівня шуму/звукоізоляція. Піни можуть бути виконані з найбільш різноманітних матеріалів, включаючи уретани, феноли і термопласти. Вибір буде залежати від спеціальних вимог при застосуванні. Трьохмірні полотна, такі як ткані матеріали з розрідженим переплетенням, дозволили інженерам і конструкторам надавати виробам велику гнучкість без збитку для функціональності. Такі серцевини можуть забезпечити вирішення проблем спеціальних конструкцій, але дуже рідко здатні забезпечити краще загальне рішення, ніж більш загальновизнані матеріали серцевини із стільникової панелі, піни і деревини. Паливні елементи являють собою електрохімічні пристрої, які перетворюють хімічну енергію в 90760 8 електричну енергію без горіння. На відміну від нормальної акумуляторної батареї, паливний елемент може безперервно виробляти електрику доти, доки в нього подається паливо. Паливні елементи з протонообмінною мембраною («ПОМПЕ» або PEMFC), також відомі як паливні елементи з мембраною з полімерного електроліту, являють собою низькотемпературні, звичайно компактні паливні елементи, які були розроблені з метою використання в пов'язаних з транспортом сферах застосування, а також для застосування в портативних приладах, таких як мобільні телефони. Традиційний ПОМПЕ містить іонообмінну мембрану (тонку полімерну мембрану, таку як Nafion® від DuPont), що прокладена між анодом і катодом, але знаходиться в контакті з ними. Ці два електроди приєднані до електричного ланцюга. На анод подається паливо, таке як газоподібний водень, де воно дисоціює згідно з наступною напівелементною реакцією з утворенням протонів, які проходять крізь електролітну мембрану: Н2 2Н++2еОдночасно з цим окисник, такий як кисень або повітря, подається на катод, де протікає взаємодоповнююча напівелементна реакція: 1/2О2+2Н++2е- Н2О. При цьому між анодом і катодом встановлюється електричний струм, і при використанні чистого водню єдиним побічним продуктом такого елемента є вода. Анод і катод в типовому випадку являють собою каталізатори на основі платини на вуглецевому носії. Вони можуть бути нанесені методом друку на пористий вуглецево-волокнистий папір, який утворює газодифузійний шар (ГДШ). Цей вузол анод-мембрана-катод, який звичайно називається «мембранно-електродним вузлом» (МЕВ), в типовому випадку прокладається між електропровідними графітовими пластинами. Ці «пластинисепаратори» або пластини з «полем протікання» знімають струм, сприяють доставці палива та окисника до поверхонь відповідно анода і катода і забезпечують відведення води, що утворилася під час роботи такого елемента. Наприклад, в US-A-6878477 обговорюється розподіл проточних каналів в анодній і катодній пластинах з полем протікання. У US-A-6913846 розкрита система на паливних елементах, яка містить пластину з полем протікання, яка виконана з можливістю забезпечувати засоби для здійснення етапу підготовчої реакції перед тим, як паливо досягне анода. В обох випадках, що типово в традиційних конструкціях паливних елементів, ці пластини забезпечені на своїй поверхні каналами для розподілу текучого середовища по поверхні електрода. Такі пластини з полем протікання часто є дорогими у виробництві, в типовому випадку вимагаючи механічної обробки для одержання складних проточних трактів для газів в твердих графітових пластинах. У WO-A-03/073548 пропонується використання пористого газорозподільного матеріалу з утвореними в ньому каналами для диспергування текучого середовища по всьому електроду. Однак такому пористому шару потрібний 9 складний каркас для підтримки його і подачі текучого середовища. По суті, досягається мало вигоди. У WO-A-2002/027838 пропонується використання тонкого шару металевої піни, встановленого на фользі, для диспергування текучого середовища по всьому електроду. Однак він також залежить від складної каркасної конструкції для забезпечення опори і подачі текучого середовища. У деяких прикладах множину мембранноелектродних вузлів (МЕВ) збирають разом з утворенням пакетної батареї, в якій однакові електроди сусідніх МЕВ повернені один до одного. Потім по всій батареї на поверхнях, що чергуються, між МЕВ можуть бути підключені колектори, що підводять і що відводять відповідно газоподібні паливо та окисник. Ця серія паливних елементів, тобто «батарея паливних елементів», звичайно вміщена в корпусі. Ці батарея, корпус і пов'язане з ними обладнання складають блок паливних елементів. З урахуванням впровадження паливних елементів в промислове виробництво паливний елемент традиційно розглядається як окремо стоячий блок, який реалізований по конструкції багато в чому таким самим чином, як і звичайна акумуляторна батарея. Для забезпечення необхідної вихідної потужності задана кількість паливних елементів розміщують пакетом або купкою, беруть в єдиний блок і потім вбудовують у вже складену конструкцію. У US-A-6811918, наприклад, розкритий ПОМПЕ з полімерними композиційними біполярними пластинами, які являють собою електропровідні токознімачі, що розділяють множину МЕВ, укладених купкою один на один в електричній послідовності. Текуче середовище диспергується по кожному електроду за допомогою змієподібних трактів в поверхні пластини перед проходженням через дифузійний шар графітового паперу. Мета US-A6838204 полягає в тому, щоб обмежити проблеми, пов'язані з укладенням купкою множини неміцних ПОМПЕ за допомогою «тримача», якому надана спеціальна форма для прийому ПОМПЕ-елементів в шаховій або спіральній конфігурації. Подібні складні конструкції є дорогими і не були доведені до практичного застосування. Насправді переважну більшість ПОМПЕ являють собою дослідні екземпляри і демонстраційні зразки. Для доведення ПОМПЕ до крупномасштабного комерційного використання, навіть при впровадженні різних вдосконалених матеріалів, що розробляються зараз, будуть потрібні конструктивні зміни при виготовленні. Крім того, ПОМПЕ є відносно неміцними і не можуть бути самонесучими, тому особливо важливою є опора ПОМПЕ під час складання блоку паливних елементів. У доповнення до цього, внаслідок того, що для розподілу текучих середовищ по МЕВ-вузлах потрібні рамки і складні пластини з полем протікання, вузол паливного елемента є важким і громіздким. У протилежність ПОМПЕ-елементам, твердооксидні паливні елементи (ТОПЕ) працюють при високих температурах в приблизно 1000 С для максимізації іонної провідності мембрани, яка утворена з кисневого провідника, такого як легований оксидом ітрію діоксид цирконію. Така робоча 90760 10 температура вимагає, щоб ТОПЕ виконувався з використанням, головним чином, керамічних матеріалів, утворюючих жорстку конструкцію. Окремі елементи ТОПЕ розташовуються паралельно один до одного і при цьому жорстко і впритул прикріплені один до одного з утворенням камери генерації електроенергії, при цьому газоподібний окисник і газоподібне паливо подаються з одного боку цієї камери генерації електроенергії, а відпрацьовані вихлопні гази відводяться з іншого її боку. ТОПЕ звичайно призначені для сфери електроенергетики. Для застосувань в портативних приладах був розроблений варіант згаданого ПОМПЕ, тобто метанольний паливний елемент прямої дії (ПМПЕ або DMFC). ПМПЕ працює на метанолі, що подається безпосередньо на анод такого пристрою. Зараз розробляється також додатково вдосконалений різновид, в якому використовується проникна для текучого середовища електролітна мембрана. Суміш повітря і палива пропускають через цей елемент, а не по ньому. Кожний електрод виконують з можливістю селективно сприяти реакції або палива, або окисника. Подібно до ПОМПЕ, практичні варіанти реалізації ТОПЕ та ПМПЕ як і раніше вимагають підходящого механізму протікання текучого середовища для доставки палива і повітря до паливного елемента ефективним чином. Відповідно до першого аспекту даного винаходу вузол паливного елемента містить паливний елемент, вбудований в композитну шарувату конструкцію, що містить матеріал серцевини, всередину якого закладений паливний елемент, причому паливний елемент містить електролітну мембрану з першою і другою лицьовими поверхнями і розміщені прилеглими до відповідних лицьових поверхонь електролітної мембрани перший і другий електроди, що приєднуються до електричного ланцюга, при цьому матеріал серцевини забезпечує опору для закладеного в нього паливного елемента і проточне сполучення через матеріал серцевини, дозволяючи пройти одним або більше текучим середовищам до першого і другого електродів, який відрізняється тим, що матеріал серцевини містить пористий матеріал з комірками, утвореними стінками комірок, причому щонайменше деякі з цих комірок є взаємозв'язаними для забезпечення можливості проходження текучого середовища між комірками через вибрані стінки комірок. За рахунок вбудовування подібним чином паливного елемента в композитну конструкцію досягається декілька переваг. По-перше, в іншому випадку пасивна конструктивна деталь, композитна шарувата конструкція, сама стає функціональною за допомогою використання матеріалу серцевини як механізм перенесення текучого середовища (газу або рідини) до закладеного в нього паливного елемента. Тому загальний об'єм, що займається виробом, який потребує паливного елемента, може бути зменшений шляхом вміщення паливного елемента всередині конструкції цього виробу. Це не тільки призведе до одержання більш компактних виробів, але і зробить більш привабливим 11 вибір будь-якого паливного елемента в порівнянні з альтернативними джерелами електроживлення, оскільки вони зможуть легше знайти застосування в обмежених просторах. Можливість вибрати, де розташувати паливний елемент в конструктивній деталі, також дозволяє виключити деяку частину електропроводки за рахунок позиціонування паливного елемента поблизу до тієї або тих деталі(ей) конструкції, на яку(і) він подає електроенергію. Це забезпечує зниження маси всієї конструкції в цілому. Вбудовування паливного елемента всередину композитної конструкції також забезпечує опору і корпус для деталей цього паливного елемента таким чином, який усуває потребу в складних і дорогих корпусах і проточних пластинах для текучого середовища. Перенесення текучого середовища до електродів може легко досягатися і регулюватися за рахунок підходящої конфігурації матеріалу серцевини. Властива такій конструкції міцність забезпечує захист для деталей паливного елемента як під час виготовлення, так і при застосуванні. Крім того, композитна конструкція може бути використана для зберігання газу або рідини. Як буде описано нижче, матеріал серцевини може переносити текуче(і) середовище(а) до електродів цілим рядом альтернативних способів. У переважному варіанті втілення матеріал серцевини виконаний з можливістю забезпечувати проходження першого текучого середовища до першого електрода і другого текучого середовища до другого електрода, при цьому зберігаючи розділення між першим і другим текучими середовищами. Таке компонування особливо підходить для паливних елементів, яким потрібно, щоб на кожний електрод надходили різні текучі середовища. Наприклад, в більшості ПОМПЕ потрібно, щоб паливо надходило на анод, а повітря або кисень - на катод. Тому є переважним, щоб перше текуче середовище містило текуче паливо, а друге текуче середовище містило текучий реагент. Передбачається також, що можна використовувати хімічні рішення, альтернативні описаним вище: наприклад, текучий реагент може бути відновником. Однак є переважним, щоб текучий реагент був окисником. Залежно від типу матеріалу серцевини, що використовується, може застосовуватися один єдиний матеріал серцевини, який виконаний з можливістю транспортувати ці два текучих середовища до паливного елемента окремо. Наприклад, може застосовуватися піноматеріал, в якому взаємозв'язок пір такий, що перше текуче середовище обмежується однією ділянкою цього матеріалу, а друге - іншою. Подібним же чином, матеріал серцевини може мати утворені в ньому перший і другий канали для проходження першого і другого текучих середовищ відповідно до першого і другого електродів. Однак в переважному варіанті втілення матеріал серцевини містить перший і другий матеріали серцевини, утворюючі між собою межу розділу, причому ці перший і другий матеріали серцевини відділені вздовж щонайменше частини межі розділу проміжним шаром, який є по суті непроникним 90760 12 для текучого середовища. Це забезпечує особливо зручний шлях розділення двох текучих середовищ, оскільки кожне з них може бути обмежене в своєму матеріалі серцевини проміжним шаром. Матеріали серцевини самі можуть накладати додаткові обмеження на протікання текучого середовища, наприклад, за рахунок наявності утворених в них каналів, але можуть і містити матеріали, крізь які текуче середовище вільно переміщається, наприклад, піну з відкритими комірками. Зручно, якщо електролітна мембрана розміщена на межі розділу між першим і другим матеріалами серцевини, причому щонайменше частина цієї мембрани розташована в тій ділянці межі розділу, на яку не простягається проміжний шар, так що перша лицьова поверхня електролітної мембрани упирається в перший матеріал серцевини, а друга лицьова поверхня упирається у другий матеріал серцевини. При такій конфігурації мембрана сама по собі локально розділяє ці два матеріали серцевини і при цьому вдало розташована для прийому текучого середовища від кожного з них. Більше того, мембрана може спиратися на межу розділу і/або на проміжний шар. Потрібно зазначити, що мембрана необов'язково розміщується в площини межі розділу або проміжного шару і може бути зміщена в будь-яку сторону від межі розділу, за умови, що перша і друга лицьові поверхні упираються в перший і другий матеріали серцевини відповідно. Переважно, електролітна мембрана розміщена по суті паралельно межі розділу, причому її перша і друга лицьові поверхні розташовуються на протилежних сторонах мембрани. Разом з тим, мембрана могла б розташовуватися під кутом до межі розділу, наприклад, перпендикулярно, якщо це бажано. Наприклад, вказані два електроди могли б розміщуватися на одній і тій самій стороні мембрани, і в цьому випадку перша і друга лицьові поверхні були б утворені однією і тією самою лицьовою поверхнею мембрани. Переважно, проміжний шар забезпечений отвором, що проходить наскрізь, всередині якого розміщена електролітна мембрана. Це забезпечує опору для мембрани з усіх її країв. Альтернативно, мембрана могла б розміщуватися на одному кінці проміжного шару, або за ним. Переважно, електролітна мембрана вбудована в проміжний шар. Це полегшує виготовлення, оскільки МЕВ паливного елемента може бути виконаний з проміжним шаром, що діє як опора. Наприклад, мембрана і, необов'язково, електроди могли б бути спільно затверділими, вклеєні або вварені в проміжний шар шаруватої конструкції. На цьому проміжному шарі могли б бути також передбачені проводка або провідні доріжки для приєднання електродів до електричного ланцюга. У ще одному варіанті втілення вигідно вибрати електролітну мембрану, яка є проникною для текучого середовища, дозволяючи текучому середовищу, що надходить на цю мембрану у її першої лицьової поверхні, пройти крізь неї до її другої лицьової поверхні, і навпаки. Таким чином, за допомогою матеріалу серцевини текуче середовище необхідно безпосередньо транспортувати тільки 13 до одного електрода; транспортування до другого здійснюється самою мембраною. Тому матеріал серцевини переважно виконаний з можливістю забезпечувати проходження текучого середовища до другого електрода через електролітну мембрану. Наприклад, матеріал серцевини може утворювати один єдиний канал. Переважно, однак, коли матеріал серцевини виконаний з можливістю забезпечувати впускний тракт текучого середовища до першого електрода і, через електролітну мембрану, до другого електрода і випускний тракт текучого середовища від цього другого електрода, при цьому зберігаючи розділення між впускним і випускним трактами. Це направляє потік текучого середовища через мембрану в одному єдиному напрямку. У переважному варіанті втілення це досягається за допомогою матеріалу серцевини, який містить перший і другий матеріали серцевини, утворюючі між собою межу розділу, причому ці перший і другий матеріали серцевини відділені вздовж щонайменше частини їх межі розділу проміжним шаром, який є по суті непроникним для текучого середовища, при цьому перший матеріал серцевини забезпечує впускний тракт текучого середовища, а другий матеріал серцевини забезпечує випускний тракт текучого середовища. Ці конфігурації є особливо підходящими для роботи на основі одного єдиного текучого середовища, що подається. Тому переважно, щоб таке текуче середовище містило суміш першого і другого текучих середовищ. Зручно, коли перше текуче середовище містить текуче паливо, а друге текуче середовище містить текучий реагент. У типовому випадку текучий реагент являє собою окисник. У будь-якому з описаних вище варіантів реалізації є переважним, щоб перший електрод давав селективний відгук на перше текуче середовище, а другий електрод давав селективний відгук на друге текуче середовище. У випадку змішаного текучого середовища це дозволяє реагувати на кожному з електродів одному єдиному компоненту, призводячи, в результаті, до більш високого і більш стабільного електричного струму. У випадку, якщо текучі середовища є окремими, селективне конструктивне рішення двох електродів може бути використане для оптимізації їх робочих характеристик. Матеріал серцевини може транспортувати текуче(і) середовище(а) безпосередньо до відповідного електрода. Однак у визначених варіантах втілення є переважним, щоб поруч з першим електродом і в проточному сполученні з ним була передбачена перша дифузійна ділянка, причому матеріал серцевини виконаний з можливістю забезпечувати проходження текучого середовища до цієї першої дифузійної ділянки. Дифузійна ділянка сприяє розподілу текучого середовища по поверхні електрода, сприяючи ефективній реакції. Також переважно, поряд з другим електродом і в проточному сполученні з ним передбачена друга дифузійна ділянка, причому матеріал серцевини виконаний з можливістю забезпечувати проходження текучого середовища до цієї другої дифузійної ділянки. 90760 14 Дифузійна(і) ділянка(и) може(можуть) містити шар дифузійного середовища, такий як графітовий папір. Разом з тим, є переважним, щоб перша і/або друга дифузійна ділянка були виконані заодно з матеріалом серцевини, який, в межах цієї дифузійної ділянки, виконаний з можливістю розподіляти текуче середовище по суті по всьому відповідному електроду. Таким чином, може бути знижена кількість деталей, а, значить, і складність складання. Крім того, дифузійна ділянка може бути пристосована до конкретного застосування. Конкретний матеріал, що використовується як матеріал(и) серцевини, буде залежати від цільового застосування. В одному конкретному варіанті втілення зручно, щоб пористий матеріал являв собою стільникову панель з комірками, утвореними непроникними для текучого середовища стінками комірок, причому щонайменше деякі з цих комірок є взаємозв'язаними перфораційними отворами у вибраних стінках комірок. Така стільникова панель може бути виготовлена, наприклад, з алюмінію. Альтернативно, пористий матеріал може переважно являти собою піну, що містить порожнини, причому щонайменше деякі з цих порожнин з'єднані, щоб дозволити пройти текучому середовищу. Взаємозв'язки між порожнинами можуть бути утворені в цьому матеріалі природним чином або ж можуть бути привнесені в нього після утворення матеріалу, наприклад, лазером або механічною обробкою. У ще одному прикладі пориста структура являє собою трьохмірне полотно, у якого щонайменше деякі з його комірок утворені проникними для текучого середовища стінками. Наприклад, це полотно може бути виконане з поліефірної повсті. Переважно щонайменше частина комірок в трьохмірному полотні оброблена смолою для запобігання проходженню крізь них текучого середовища. Таким чином, в даному матеріалі можуть бути створені канали згідно з вимогою конкретного застосування. Також альтернативно, матеріал серцевини або щонайменше один з першого і другого матеріалів серцевини міг би переважно містити трьохмірне полотно, що включає в себе проточні канали текучого середовища, таке як розріджений тканий матеріал. У цьому випадку матеріал сам по собі міг би бути проникним або непроникним для текучого середовища. Залежно від застосування і вибраних матеріалів, може виявитися доцільним змінювати властиві матеріалу серцевини властивості протікання текучого середовища. Тому переважно, щоб матеріал серцевини або щонайменше один з першого і другого матеріалів серцевини був забезпечений виконаними механічною обробкою проточними каналами. Якщо в конструкції застосовується більш ніж один матеріал серцевини, то для кожного з них можуть використовуватися різні матеріали і/або механічна обробка. Наприклад, якщо перше текуче середовище повинне транспортуватися першим матеріалом серцевини, а інше текуче середовище - другим, то може виявитися доцільним вибрати перший і другий матеріали серцевини відповідни 15 ми властивостям тих текучих середовищ, які вони повинні транспортувати. Альтернативно, і перший, і другий матеріали серцевини могли б містити один і той самий матеріал. Переважно, і перший, і другий електроди містять пористий каталізатор, диспергований на проникній для текучого середовища плівці. Це гарантує, що для каталізу реакції є велика площа поверхні, і робить можливим проходження іонів (звичайно протонів) до електролітної мембрани. Переважно, поруч з кожним електродом розміщений дифузійний шар для текучого середовища. Це забезпечує краще диспергування текучого середовища по електродах. Як описано вище, внаслідок реакції в паливному елементі можуть вироблятися продукти вихлопу, такі як вода. Тому є переважним, щоб матеріал серцевини був також виконаний з можливістю забезпечувати проходження вихлопного текучого середовища назовні від щонайменше одного з електродів. Це запобігає накопиченню текучого середовища в паливному елементі. Переважно, на зовнішній стороні матеріалу серцевини передбачений матеріал обшивки. Він служить для герметизації і захисту матеріалу серцевини і посилення композитної конструкції. У деяких прикладах матеріал серцевини сам по собі може забезпечувати функцію герметизації. Така обшивка може бути передбачена на одній стороні конструкції, але переважно вона передбачена на обох сторонах. Переважно, обшивка зв'язана з матеріалом серцевини. Відповідно до другого аспекту даного винаходу запропонована матриця паливних елементів, яка містить множину вузлів паливного елемента згідно з першим аспектом даного винаходу, причому ця множина паливних елементів вбудована в одну композитну конструкцію, і матеріал серцевини виконаний з можливістю забезпечувати проходження одного або більше текучих середовищ до кожного з цих паливних елементів. Таким чином, декілька паливних елементів можуть бути вбудовані в одну композитну конструкцію. Матеріал серцевини може подавати текучі середовища до множинних паливних елементів, працюючих або окремо, або колективно. Переважно, матеріал серцевини виконаний з можливістю забезпечувати проходження текучого середовища до щонайменше двох з паливних елементів по загальному тракту. Це забезпечує додаткову економію простору і зменшує складність різних каналів, які були б потрібні в іншому випадку. Переважно, матеріал серцевини містить множину матеріалів серцевини, кожний з яких відділений від наступного межею розділу, і на кожній з цих меж розділу розміщений щонайменше один паливний елемент. Паливні елементи, розміщені на суміжних межах розділу, необов'язково повинні бути суміщені (вирівняні) один з одним, а, навпаки, можуть бути переважно зміщені убік вздовж меж розділу. В одному конкретному прикладі матеріал серцевини містить перший, другий і третій матеріали серцевини, кожний з яких відділений межею розділу, причому на кожній з цих меж розділу розміщений щонайменше один паливний елемент. Як 90760 16 описано вище відносно першого аспекту винаходу, зручно, щоб на кожній межі розділу був розміщений непроникний для текучого середовища проміжний шар, а електролітні мембрани кожного паливного елемента були вбудовані в ці проміжні шари. Також запропоновані способи виготовлення вузла паливного елемента і матриці паливних елементів згідно з першим і другим аспектами винаходу. Відповідно до третього аспекту винаходу, спосіб виготовлення вузла паливного елемента містить наступні етапи: (A) забезпечення першого матеріалу серцевини, який дозволяє пройти крізь нього текучому середовищу; (B) прикріплення першої сторони паливного елемента, причому паливний елемент містить електролітну мембрану з першою і другою лицьовими поверхнями і розміщені прилеглими до відповідних лицьових поверхонь електролітної мембрани перший і другий електроди, що приєднуються до електричного ланцюга, до першого матеріалу серцевини в такому положенні, при якому текуче середовище в першому матеріалі серцевини може контактувати з першою стороною паливного елемента; і (C) забезпечення другого матеріалу серцевини, який дозволяє пройти крізь нього текучому середовищу, і прикріплення його до другої сторони паливного елемента в такому положенні, при якому текуче середовище у другому матеріалі серцевини може контактувати з другою стороною паливного елемента, так що паливний елемент закладають всередині результуючого матеріалу серцевини; і вбудовування цього вузла в композитну шарувату конструкцію, який відрізняється тим, що щонайменше один з першого і другого матеріалів серцевини містить пористий матеріал з комірками, утвореними стінками комірок, причому щонайменше деякі з цих комірок є взаємозв'язаними для забезпечення можливості проходження текучого середовища між комірками через вибрані стінки комірок. Така технологія забезпечує опору для неміцного паливного елемента протягом всього процесу виготовлення і призводить, в результаті, до паливного елемента, вбудованого в композитну шарувату конструкцію. Переважно, забезпечення першого матеріалу серцевини містить наступні етапи: (А1) забезпечення пористого матеріалу; і (А2) взаємозв'язування щонайменше деяких з комірок в цьому матеріалі для створення проточного тракту текучого середовища. Таким чином, конфігурація проточного тракту може бути спроектована відповідною застосуванню. Переважно, прикріплення паливного елемента містить наступні етапи: (B1) забезпечення непроникного для текучого середовища проміжного шару; (B2) вбудовування електролітної мембрани в цей проміжний шар; (B3) нанесення першого і другого електродів на першу і другу лицьові поверхні мембрани; 17 (B4) нанесення токознімачів на перший і другий електроди; і (B5) прикріплення проміжного шару і паливного елемента до першого матеріалу серцевини. Таким чином, паливний елемент може бути виготовлений з проміжним шаром, який забезпечує захист та опору для неміцних мембрани та електродів. Переважно, забезпечення другого матеріалу серцевини містить наступні етапи: (С1) забезпечення пористого матеріалу; і (С2) взаємозв'язування щонайменше деяких з комірок в цьому матеріалі для створення проточного тракту текучого середовища. Тому конфігурація другого проточного тракту може бути підібрана для конкретного застосування. Тепер будуть описані приклади вузлів паливного елемента відповідно до даного винаходу з посиланням на нижченаведені креслення, на яких: Фіг.1 являє собою схематичне зображення традиційного компонування паливного елемента; Фіг.2 ілюструє приклад традиційної композитної конструкції, збільшений для розуміння; Фіг.3 зображає в поперечному перерізі перший варіант втілення вузла паливного елемента відповідно до винаходу; Фіг.3а ілюструє частину Фігури 3 більш детально; Фіг.4а, 4b та 4с - всі ілюструють проточні канали в трьох матеріалах серцевини, на вигляді зверху і в поперечному перерізі; Фіг.5 зображає в поперечному перерізі другий варіант втілення вузла паливного елемента; Фіг.6 показує в поперечному перерізі частину третього варіанту втілення вузла паливного елемента; Фіг.7 зображає в поперечному перерізі четвертий варіант втілення вузла паливного елемента; Фіг.8а та 8b схематично показують дві матриці паливних елементів; Фіг.9 зображає матрицю паливних елементів в поперечному перерізі; Фіг.10а, 10b та 10с ілюструють приклад вузла паливного елемента на виглядах зверху, в перспективі і в поперечному перерізі; Фіг.11а показує в поперечному перерізі п'ятий варіант втілення вузла паливного елемента; і Фіг.11b показує вигляд зверху четвертого варіанту втілення, наведений в перерізі по лінії Х-Х. Функціональні конструктивні елементи типового ПОМПЕ 1 схематично показані на Фігурі 1. Полімерна мембрана 2 розміщена між анодом 4 і катодом 6. Ця мембрана 2 містить матеріалелектроліт, який здатний проводити іони, хоча і є електроізолюючим. Типовим її прикладом є Nafion®, який являє собою хороший провідник протонів (Н+). Електроди 4, 6 звичайно містять каталізатор на основі платини, диспергований на проникній для текучого середовища підкладці, такій як вуглецево-волокнистий папір. Вона забезпечує газодифузійний шар (не показаний), який допомагає рівномірно диспергувати текуче середовище по електроду. Мембрану 2, анод 4 та катод 6 - все разом називають мембранноелектродним вузлом (МЕВ) 5. 90760 18 Традиційно, поруч з кожним електродом передбачені пластини 8а та 8b з полем протікання. Ці пластини 8а, 8b керують протіканням текучого середовища по кожному електроду 4, 6. Перше текуче середовище А, що містить паливо, таке як водень або метанол, направляється пластиною 8а до або по аноду 4. На Фігурі 1 текуче середовище А показане таким, що протікає в площині зображення, і для цієї мети в лицьовій поверхні пластини 8а передбачені напрямні канали (не показані). Друге текуче середовище, що містить окисник, такий як кисень або повітря, направляється пластиною 8b до або по катоду 6. Фігура 1 показує текуче середовище В, що витікає з площини листа із зображенням, будучи таким, що направляється каналами 8b' на пластині 8b. Електроди 4, 6 приєднані до електричного ланцюга за допомогою токознімачів (не показані). Текучі середовища А та В реагують на відповідних їм електродах 4, 6, як описано вище, і при цьому встановлюється електричний струм. Фігура 2 зображає типову композитну шарувату конструкцію 10 з прокладеною між обшивками 11 стільниковою серцевиною 13. Стільникова серцевина 13 виконана з масиву комірок 17, - кожна в формі шестикутної призми. Стільникові серцевини дають ламінати з високою жорсткістю і низькою масою. Оскільки площа зв'язування, що є в розпорядженні між стільниковою панеллю 13 та обшивкою 11, мала, то для досягнення необхідного зчеплення з обшивкою ламінату використовуються високоефективні системи смол, такі як епоксидні смоли, що призводить до одержання тісно зв'язаного єдиного тіла. Стільникові серцевини доступні серед множини різних матеріалів, включаючи алюміній, термопласти, папір, виконані із смоли комірки стільникової панелі, такої як Nomex®, і різні ткані і неткані полотна. Алюмінієві стільникові панелі звичайно виготовляють з використанням багатостадійного процесу. Тонкі листи з цього матеріалу методом друку покривають, паралельними, тонкими смужками клею, що чергуються, а потім листи укладають купкою в нагрітий прес, при цьому клей твердне. Стопку листів (відому як «блок-форма») потім нарізують по її товщині, а після цього листи акуратно розтягують і розширюють з утворенням листа з безперервними комірками шестикутної форми. Стільникові панелі з термопластів звичайно виробляють екструзією з подальшим нарізанням до необхідної товщини. Підходящі матеріали обшивки включають композитні ламінати або листи металу, такого як алюміній, нержавіюча сталь або м'яка низьковуглецева сталь. Вибір матеріалу обшивки буде залежати від того конкретного застосування, для якого призначена дана конструкція. Перший варіант втілення вузла паливного елемента, в якому паливний елемент вбудований в композитну шарувату конструкцію, показаний на Фігурі 3. Матеріал серцевини забезпечує механізм перенесення газу або рідини (тобто текучого середовища), за допомогою якого текучі середовища можуть подаватися до паливного елемента. 19 У цьому прикладі два шари 21 обшивки містять всередині себе серцевину 23, яка розділена на перший і другий матеріали 23а та 23b серцевини. На межі розділу між двома цими матеріалами серцевини вміщений непроникний для текучого середовища проміжний шар 28. Перший і другий матеріали 23а та 23b серцевини зображені тут виконаними із стільникової панелі (комірки 17 відповідають показаним на Фігурі 2), яка була перфорована для забезпечення можливості протікання текучого середовища між визначеними комірками. Однак потрібно розуміти, що може використовуватися будь-який інший підходящий матеріал серцевини, що має (за своєю природою або іншим чином) здатність переносити крізь себе текуче середовище і забезпечувати опору композитної конструкції. Більше того, буде зрозуміло, що шари 21 обшивки є необов'язковими. У деяких прикладах матеріал серцевини сам може діяти як обшивка, або ж, альтернативно, матеріал серцевини міг би розташовуватися впритул до іншого тіла, яке забезпечує опору. В інших випадках зовнішня обшивка 21 може бути багатофункціональною, забезпечуючи герметичне ущільнення для запобігання витоку газу або рідини або, безумовно, механізм обміну, що забезпечує можливість відведення від електроніки побічних продуктів, таких як вода або теплота, і надходження газу або рідин, наприклад, газоподібного окисника, що потребує паливний елемент. Мембранно-електродний вузол (МЕВ) 25 розміщений на межі розділу між двома матеріалами 23а та 23b серцевини в тій ділянці, на яку не простягається проміжний шар 28, в цьому випадку - в отворі в проміжному шарі 28. Проміжний шар 28 вважається частиною серцевини 23, і, по суті, можна сказати, що МЕВ 25 закладений в серцевину 23. У даному контексті термін «закладений» означає, що МЕВ встановлений в серцевину 23, що продемонстровано описаними тут прикладами. Таким чином, МЕВ в цілому повністю оточений серцевиною (тобто частиною конструкції між обшивками 21), незважаючи на те, що серцевина може містити два або більше компонентів. МЕВ 25 містить електролітну мембрану 22, анод 24 і катод 26, як показано на Фігурі 3а. Будова цих конструктивних елементів схожа з описаним вище по відношенню до Фігури 1. Токознімачі 27а та 27b приєднують відповідно анод 24 і катод 26 до електричного ланцюга (не показаний). На практиці зручно передбачити токознімачі 27а та 27b у вигляді проводки (розводки) або провідних доріжок на проміжному шарі 28, а не пропускати їх відразу через серцевину і матеріали обшивки, як це показано. Разом з тим, якщо ті деталі, які повинен забезпечувати енергією паливний елемент, розміщені на зовнішній стороні або поблизу зовнішньої сторони даної конструкції (наприклад, на обшивці 21), то може виявитися переважним вивести токознімач назовні відразу ж, як це показано, щоб знизити кількість необхідної проводки. Як буде зрозуміло, в композитну конструкцію таким шляхом може бути вбудований паливний елемент будь-якого відомого типу, наприклад, ПОМПЕ, ПМПЕ або ТОПЕ. 90760 20 Перше текуче середовище А, звичайно паливо, таке як водень, змушують пройти через перший матеріал серцевини 23а для надходження на анод 24. Це може бути досягнуте, наприклад, прокачуванням текучого середовища через матеріал або прикладенням тиску до джерела текучого середовища. Для зберігання текучого палива і/або текучого реагенту (наприклад, водню і кисню відповідно) віддалено від матеріалу серцевини можуть використовуватися балони або контейнери, що знаходяться під тиском, при цьому тиском керує регулятор, і текучі середовища подаються в матеріал серцевини через вставки. Альтернативно, текуче паливо може зберігатися саме таким чином, а окисник, наприклад, повітря, - надходити безпосередньо з оточуючої атмосфери. Крім того, матеріал серцевини сам по собі може утворювати конструкцію для зберігання, таку як резервуар для одного або більше з текучих середовищ, які підтримуються під тиском за допомогою регулятора від зовнішнього контейнера для зберігання текучого середовища, тим самим забезпечуючи краще регульовану подачу текучого середовища до МЕВ (що протилежно безпосередньому з'єднанню зовнішнього контейнера для зберігання текучого палива з каналами, що подають його до МЕВ). Можуть мати місце такі випадки, при яких розглядається локалізоване зберігання текучого середовища, так що МЕВ може забезпечуватися текучим паливом і/або текучим реагентом, що окремо подаються. У цьому випадку текуче(і) середовище(а) могло(и) б зберігатися всередині самої композитної конструкції і вивільнятися до МЕВ за потребою, без необхідності у зовнішньому контейнері для зберігання. Могли б використовуватися і будь-які поєднання таких технологій, підходящі для даного застосування. У випадку серцевини із стільникової панелі текуче середовище проходить з однієї комірки в наступну за допомогою перфораційних отворів в стінках комірок. Ця та альтернативні структури серцевини обговорюються більш детально нижче. Аналогічно, друге текуче середовище В, звичайно окисник або інший подібний реагент, такий як відновник, транспортується через другий матеріал 23b серцевини до катода 26. Транспортування другого текучого середовища В може здійснюватися з використанням тієї ж самої технології, що і у випадку текучого середовища А, або ж можуть виявитися переважними альтернативні засоби. Це може бути особливо доречно в тому випадку, коли одне текуче середовище є газом, а інше - рідиною. Текучі середовища А та В реагують на відповідних їм електродах, як описано вище з посиланням на Фігуру 1, і в ланцюгу, до якого приєднані токознімачі 27а, 27b, встановлюється електричний струм. Токознімачі 27а, 27b можуть бути передбачені у вигляді сітки, дроту або провідних доріжок, або прикріплених, приклеєних або напилених на проміжний шар 28. Можуть бути нанесені складні малюнки з провідних, напівпровідних або ізолюючих доріжок в двох або трьох вимірюваннях, що дозволяє вирішувати багато задач. Може бути передбачений стік 29 для того, щоб дозволити продуктам реакції, таким як вода, за 21 лишити конструкцію. Залежно від вибраного матеріалу серцевини, може виявитися необхідним передбачити в ньому проточний канал для спрямування води від катода 26 до стоку 29. Матеріалом(ами) 23 серцевини можуть бути стільникова панель, піна, тканий матеріал з розрідженим переплетенням або будь-яке еквівалентне трьохмірне полотно, які задовольняють необхідним вимогам за механічними характеристиками, що пред'являються застосуванням композитної конструкції за кінцевим призначенням, і забезпечують механізм перенесення текучого середовища, за допомогою якого гази і/або рідини можуть доставлятися до закладеного паливного елемента. Щоб забезпечити можливість перенесення газу або рідини крізь стільникову панель, її матеріал перфорують під час виготовлення із забезпеченням проточного сполучення між вибраними комірками 17. Внаслідок цього конструкційна жорсткість серцевини зберігається, але при цьому ще і встановлюється проточний тракт. Схематичні представлення серцевини з перфорованої стільникової панелі наведені на Фігурі 4а. Потрібно зазначити, що, хоча перфораційні отвори 18 зображені круглими, вони можуть бути в формі щілин, дірок іншої форми або будь-яких інших вирізів, які дозволяють текучому середовищу протікати між комірками. Для того, щоб виготовити перфоровану алюмінієву стільникову панель, блок-форму стільникової панелі нарізують і піддають механічному свердлуванню або свердлуванню потужним променем (наприклад, лазерним) у вузлових точках, тобто на зв'язаних одна з одною ділянках тонких листів, а згодом розтягують і розширюють, що призводить до одержання перфорованої стільникової панелі. Стільникові панелі з термопластів в типовому випадку перфорують після екструзії. Можна також використовувати паперовий або картонний матеріал стільникової серцевини, такий як Nomex®, в якому проточні канали передбачені або шляхом виконання стільникової панелі з перфорованого паперу в першому випадку, або шляхом механічної обробки готового продукту серцевини. Тканий матеріал з розрідженим переплетенням або інші трьохмірні полотна забезпечують проточні канали для газів або рідин завдяки своїй унікальній структурі. У деяких випадках такі трьохмірні полотна просочують смолою для надання матеріалу серцевини міцності, і в таких випадках повинні бути сформовані проточні канали. Таким прикладом могло б служити трьохмірне полотно з (проникної для текучого середовища) поліефірної повсті, яка має стільникову структуру, на якій розташований тонкий шар плівки смоли. При нагріванні ця смола затікає в і просочує комірки 17. Для того, щоб забезпечити проточні канали, плівка смоли може бути розташована на полотнах в дискретних місцях, так що при нагріванні лише намічені комірки 17а просочуються смолою, як проілюстровано на Фігурі 4b, залишаючи комірки 17b вільними для транспортування текучого середовища. Альтернативно, затверділа серцевина може бути піддана механічній обробці для забезпечення 90760 22 послідовності проточних трактів 15а, 15b, що потребується, як показано на Фігурі 4с. Шляхом належного вибору матеріалу серцевини і конфігурації проточних каналів може бути оптимізоване перенесення текучих(ого) середовищ(а) до паливного елемента. Будова каналів може забезпечувати затоплення анода або катода паливного елемента необхідним текучим паливом або окисником, і їх конструюють підходящими для тих режимів протікання, які роблять можливим оптимальне підведення газу або рідини до паливного елемента. У деяких варіантах втілення поруч з кожним електродом передбачені дифузійні ділянки 24А та 26А. Ці ділянки сприяють розподілу текучого середовища по поверхні відповідного електрода. Дифузійні ділянки можуть містити шар дифузійного середовища, такий як графітовий папір або схожий пористий матеріал, що розташований поруч з поверхнею електрода. Разом з тим, потреба в такому матеріалі може бути усунена виконанням ділянок 24А та 26А заодно з матеріалом серцевини, наприклад, шляхом розміщення проточних каналів з рівномірним розподілом текучого середовища по електроду. Матеріал серцевини доставляє текуче середовище до електродів 24, 26 через відповідну дифузійну ділянку. Крім того, ці проточні канали можуть бути використані для того, щоб дозволити різним газам або рідинам одночасно протікати всередині одного і того самого матеріалу серцевини, як в якості прикладу наведено для стільникових структур, показаних на Фігурі 4. Потрібно зазначити, що термін «проточний канал» використовується тут для опису як тих проточних трактів, які виникають внаслідок властивих матеріалу властивостей (наприклад, взаємозв'язані пори піни з відкритими комірками), так і тих, які привнесені на етапі цілеспрямованої механічної обробки (наприклад, перфораційні отвори в стільниковій панелі або виконані механічною обробкою канали). Як вказано вище, хоча проточні канали можуть використовуватися для підведення газоподібних або рідких палива та окисника до паливного елемента, вони можуть також використовуватися і для відведення небажаних теплоти або текучих середовищ з конструкції. Наприклад, матеріал серцевини 23 може забезпечувати проточний тракт текучого середовища для забезпечення можливості відведення води з паливного елемента. На ділянках, близьких до електронних компонентів, серцевина може включати в себе проточні тракти для текучих охолоджувачів, які забезпечують охолоджування такої електроніки або, безумовно, самої конструкції. Матеріал серцевини також забезпечує можливість містити або зберігати гази або рідини доти, доки це потрібно. Проміжний шар 28 може бути жорстким або гнучким залежно від потреб застосування за кінцевим призначенням. Цей проміжний шар 28 захищений, частково або повністю, але, щонайменше - поблизу від МЕВ 25, на одній або обох сторонах, матеріалом серцевини 23, який забез 23 печує можливість подачі текучого середовища до МЕВ 25. Проміжний шар 28 може бути виконаний з найрізноманітніших матеріалів, таких як термопласт (наприклад, поліетилен), композиційний ламінат, просочене ткане або неткане полотно, термореактопласт або, безумовно, армована конструкційна система смол, таких як епоксидна смола. МЕВ 25 може бути вбудований в проміжний шар 28 зв'язуванням (наприклад, за допомогою клеючих речовин) або зварюванням (наприклад, за допомогою лазера). МЕВ 25 може бути нашарований в процесі тверднення ламінатів або в нагрітому пресі, або в печі, але може також затвердіти в холодному стані або спільно, або окремо. МЕВ 25, вбудований в проміжний шар, може бути з'єднаний, в свою чергу, з першим і другим матеріалами 23а, 23b серцевини або з ними обома в один і той самий час. Для збереження цілісності проточних каналів потрібне належне зв'язування матеріалу серцевини з проміжним шаром. Буде очевидно, що перший і другий матеріали серцевини необов'язково повинні бути одного і того самого типу. Наприклад, Фігура 5 ілюструє другий варіант втілення вузла 30 паливного елемента, в якому перший матеріал 33а серцевини є піною з відкритими комірками, а другий матеріал 33b серцевини являє собою серцевину з перфорованої стільникової панелі. Фігура 6 показує третій варіант втілення 40, в якому перший матеріал 43а серцевини є піною з відкритими комірками, а другий матеріал 43b серцевини є трьохмірним полотном. Два ці матеріали 43а та 43b серцевини розділені проміжним шаром 48, в який вбудований паливний елемент (не показаний). Звичайно ж, можуть з користю застосовуватися будь-які поєднання серцевини, включаючи і серцевини одного типу, залежно від потреб протікання. Необхідно зазначити, що розташування МЕВ 35 у вузлі 30 паливного елемента, показаному на Фігурі 5, відрізняється від його розташування в першому варіанті втілення. У цьому випадку МЕВ 35 як і раніше передбачений на межі розділу між двома матеріалами 30а та 30b серцевини, але вже закладений у другий матеріал 33b серцевини, а не вбудований в проміжний шар 38. Однак анод 34 і катод 36 як і раніше знаходяться в контакті відповідно з першим і другим матеріалами 33а та 33b серцевини. Крім того, в деяких варіантах необхідність передбачати проміжний шар 38 може бути відсутня зовсім. Наприклад, проточні тракти в матеріалах 33а, 33b серцевини можуть бути розраховані на те, щоб запобігти перетину текучими середовищами межі розділу між цими матеріалами. Прикладом цього буде трьохмірне полотно із заповненими смолою комірками, що відділяють його проточні канали від іншого матеріалу серцевини. Рівною мірою може бути передбачений один єдиний матеріал серцевини 33 із закладеним всередині паливним елементом і ділянка заповнених смолою комірок (або іншої подібної перешкоди), що відділяють один проточний тракт від іншого. Як і в першому варіанті втілення, можуть бути передбачені токознімачі 37а, 37b для приєднання 90760 24 електродів 34, 36 до електричного ланцюга, і може бути введений стік 39. Фігура 7 зображає четвертий варіант втілення, який є особливо підходящим для використання з паливним елементом того типу, в якому суміш текучих палива та окисника транспортується до одного з електродів і проходить крізь електролітну мембрану, яка проникна для текучого середовища, надходячи на другий електрод. У таких випадках кожний електрод сконструйований таким, що має селективний відгук або на текуче паливо, або на текучий окисник. Таким чином, до МЕВ 55 потрібно транспортувати тільки одне текуче середовище С (яке являє собою суміш згаданих вище текучих середовищ А та В). Оскільки електроди є селективними, суміш С може надходити на будь-який з електродів або на обидва електроди, і при цьому реакція зможе як і раніше мати місце. Тому в спрощеному прикладі МЕВ може бути закладений всередину єдиного матеріалу серцевини, такого як піна з відкритими комірками, який дозволяє текучому середовищу надходити на і залишати обидва електроди. Однак в переважному прикладі за Фігурою 7 серцевина виконана із забезпеченням впускного тракту 56 і випускного тракту 57. Це досягається за допомогою першого матеріалу 53а серцевини і другого матеріалу 53b серцевини, розділеного проміжним шаром 58. МЕВ 55 розміщений в проміжному шарі 58 багато в чому таким самим чином, як описано вище відносно першого варіанту втілення. Кожний матеріал 53а, 53b серцевини утворений, щонайменше частково, з трьохмірного полотна, яке дозволяє текучому середовищу протікати крізь свою структуру. Впускний і випускний тракти 56, 57 утворені шляхом закладення ущільненням одного кінця кожної серцевини. Це може бути досягнуте за допомогою смоли або, наприклад, за допомогою блоку з непроникного для текучого середовища матеріалу. Як описано вище з посиланням на другий варіант втілення, проміжний шар 58 є необов'язковим. Фігури 11а та 11b показують п'ятий варіант втілення, в якому матеріал серцевини транспортує текучі середовища А та В до паливного елемента 105 між шаром 103 стільникової панелі і шарами 101 обшивки. Проточні канали 103а та 103b можуть містити шар клею, що використовується для прикріплення стільникової панелі 103 до обшивок 101, або ж може бути вбудована сітка або матриця з трубок. У показаному прикладі смужки 104 клею використані для зв'язування шаруватої конструкції в єдине ціле, а також утворення проточних трактів 103а, b. Проточні тракти 103а, b текучого середовища можна вважати складовими самі матеріали серцевини, оскільки вони знаходяться між зовнішніми обшивками і є невід'ємною частиною композитної шаруватої конструкції. Описані тут вузли паливного елемента дозволяють позиціонувати численні паливні елементи всередині композитної конструкції (матриці паливних елементів) з тим, щоб відповідати локальним вимогам в електроживленні або іншим потребам, таким як баланс маси всередині конструкції. Як зображено на Фігурі 8а, паливні елементи 65а, 25 65b, 65с тощо можуть займати геометричний малюнок, що забезпечує рівномірний розподіл маси всередині композита 61. Альтернативно, як показано на Фігурі 8b, паливні елементи 75а, 75b, 75с тощо можуть бути згруповані для забезпечення електроживлення для електронних компонентів, в тому числі тих, які є критично важливими для функціональності складеного виробу. В інших прикладах численні паливні елементи можуть бути передбачені всередині однієї композитної конструкції в різних шарах. Наприклад, всередині композитної конструкції можуть бути передбачені два або більше закладених проміжних шарів. Приклад цього показаний на Фігурі 9, на якій вузол 80 паливного елемента містить перший, другий і третій матеріали 83а, 83b та 83с серцевини, прокладені між обшивками 81. На межі розділу між кожною парою суміжних серцевин передбачений проміжний шар 88а, 88b. У кожному проміжному шарі 88а, 88b розміщений МЕВ 85а, 85b. Як показано на Фігурі 9, МЕВ необов'язково повинні бути суміщені один з одним, а можуть бути зміщені убік. Може бути також більше ніж один МЕВ, вбудований в кожний проміжний шар 88. Перше текуче середовище А, в типовому випадку - паливо, змушують протікати через внутрішній матеріал 83а серцевини. Анод кожного відповідного МЕВ 85а, 85b розташований поверненим до цього внутрішнього матеріалу 83а серцевини з тим, щоб одержувати текуче середовище А. Друге і трете текучі середовища В та В', в типовому випадку обидва - окисник, пропускаються через зовнішні матеріали 83b, 83с серцевини до катода кожного МЕВ 85а, 85b. Звичайно ж, через внутрішній матеріал 83а серцевини можуть змушувати протікати окисник, а паливо - переноситься зовнішніми матеріалами 83b та 83с серцевини, і в цьому випадку орієнтація МЕВ 85а, 85b була б оберненою. Буде зрозуміло, що таким чином може бути укладена купкою, якщо потребується, будь-яка кількість матеріалів серцевини і проміжних шарів. Приклад вузла паливного елемента показаний на Фігурах 10а, 10b та 10с. Поліефірну повсть із стільниковою структурою, яка мала нанесений на неї тонкий шар смоли, нагрівали з одержанням матеріалу 90 серцевини. До однієї лицьової поверхні приклеїли посилення (обшивку). Одержаний в результаті матеріал 90 піддали механічній обробці з боку смоли із забезпеченням проточних трактів 91, 92. Проміжний шар 93, що включає в себе закладений паливний елемент, виконали з терморе 90760 26 актопласта. На проміжний шар по периметру МЕВ вмістили двохкомпонентну епоксидну смолу, і цей проміжний шар розмістили і зв'язали з верхнім і нижнім матеріалами серцевини. Результуюча композитна конструкція показана на Фігурі 10с. Такий вузол паливного елемента знайде застосування в найрізноманітніших сферах. Панель, що включає в себе вбудований паливний елемент (як вже описаний), буде споруджуватися в багатьох випадках, і цей блок може бути потім за бажанням вбудований в який-небудь виріб. Токознімачі можуть бути приєднані до ланцюга навантаження, утворюючого частину виробу, а вироблена паливним елементом електроенергія використана для функціонування виробу. В інших прикладах паливний елемент може бути закладений в невід'ємну частину готового виробу. Наприклад, безпілотні літальні апарати (БЛА) являють собою повітряні літальні апарати з двигуном, що не пілотуються, в яких використовуються аеродинамічні сили для забезпечення підйому літального апарату. У новітніх БЛА використовуються такі сучасні матеріали, як композити, для формування зовнішньої конструкції. Більшість з них працюють на акумуляторних батареях і застосовуються при розвідці для спостереження за сільськогосподарськими і лісовими угіддями, електричними кабелями і газопроводами. Розкритий тут вузол паливного елемента надає можливість вбудовувати джерело електроживлення апарату в конструкцію самого цього апарату, тим самим скориставшись «пасивною» частиною конструкції і надаючи їй вторинну функцію, тобто функцію механізму протікання текучого середовища до закладеного в нього паливного елемента. За допомогою цього в апарат може бути вбудоване резервне джерело електроживлення (в доповнення до акумуляторної батареї), або ж, безумовно, паливний елемент може забезпечувати головне джерело електроживлення апарату, залишаючи вільний простір для додаткового корисного навантаження, оскільки акумуляторна батарея або традиційна батарея паливних елементів більше вже не потрібна. З розкритої технології може одержати вигоди будь-який виріб, який включає в себе композитну шарувату конструкцію, оскільки необхідне для постачання електроенергією обладнання може бути вбудоване в корпус конструкції, тим самим корисно використовується той простір, який вже існує в цій конструкції. 27 90760 28 29 90760 30 31 90760 32 33 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 90760 Підписне 34 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601