BR112016016241B1

BR112016016241B1 - Célula de combustível

Info

Publication number: BR112016016241B1
Application number: BR112016016241-2A
Authority: BR
Inventors: Hideki Kubo; Hiroki Okabe; Takashi Kondo; Atsushi Ida
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2014-01-15
Filing date: 2015-01-06
Publication date: 2023-11-14
Also published as: AU2015207341B2; RU2638565C1; WO2015107418A1; EP3095151A1; NO3095151T3; CA2936321A1; AU2015207341A1; JP2015133285A; DK3095151T3; BR112016016241A2; US20160329593A1; JP5910640B2; US9923228B2; CN105917510A; KR20160098366A; CA2936321C; EP3095151B1; CN105917510B; KR101851886B1

Abstract

CÉLULA DE COMBUSTÍVEL. A presente invenção se refere a uma célula de combustível (10) que é formada por laminar uma pluralidade de unidades de geração de energia (100). A unidade de geração de energia (100) inclui: um conjunto de camada de difusão de gás de membrana de eletrodo (110); uma porção de vedação disposta ao longo de sua circunferência externa; um trajeto de fluxo da porção de corpo porosa (170) na qual o gás oxidante fornecido para uma camada catalítica do lado do catodo flui; uma placa de proteção (180) proporcionada entre a porção de vedação e o trajeto de fluxo da porção de corpo poros a; e primeira e segunda placas de separação (150, 160) configuradas para fazer uma disposição do tipo intercalado do conjunto de camada de difusão de gás de membrana de eletrodo e do trajeto de fluxo da porção de corpo porosa entre as mesmas. A placa de proteção (180), o trajeto de fluxo da porção de corpo porosa (170), e a primeira placa de separação (150) que faz contato com o trajeto de fluxo da porção de corpo porosa se projetam para dentro do tubo de descarga de gás de exaustão oxidante (315) determinada pela porção de vedação.

Description

Antecedentes da Invenção Campo da invenção

[01] A presente invenção se refere a uma célula de combustível que usa uma porção de corpo porosa como uma passagem de gás reagente.

Descrição da Técnica Relacionada

[02] A Publicação de Pedido de Patente Japonesa No. 2012 123949 (JP 2012-123949 A) descreve uma célula de combustível configurada de modo que um metal expandido e uma placa de vedação se projetam para dentro de um tubo de fornecimento de um catodo.

[03] Em um lado de descarga de gás de catodo, água gerada em virtude da reação ser descarregada. Entretanto, JP 2012-123949 A não suficientemente faz um estudo da estrutura para descarregar de modo eficiente a água em um tubo do lado de descarga.

Sumário da Invenção

[04] Um aspecto da presente invenção se refere a uma célula de combustível formada por laminar uma pluralidade de unidades de geração de energia. Na célula de combustível, cada uma das unidades de geração de energia inclui: um conjunto de camadas de eletrodos de difusão de gás e membrana que inclui uma membrana de eletrólito, uma camada catalítica do lado do anodo, e uma camada catalítica do lado do catodo de modo que a membrana de eletrólito é disposta entre a camada catalítica do lado do anodo e a camada catalítica do lado do catodo; uma porção de vedação disposta ao longo de uma circunferência externa do conjunto de camadas de eletrodos de difusão de gás e membrana; um trajeto de fluxo da porção de corpo porosa disposto de modo a ser oposto à camada catalítica do lado do catodo e na qual gás oxidante fornecido para a camada catalítica do lado do catodo flui; uma placa de proteção proporcionada entre a porção de vedação e o trajeto de fluxo da porção de corpo porosa; e primeira e segunda placas de separação configuradas para fazer uma disposição do tipo intercalado do conjunto de camadas de eletrodos de difusão de gás e membrana e do trajeto de fluxo da porção de corpo porosa entre as mesmas. A porção de vedação e as primeira e segunda placas de separação têm porções de abertura em posições que correspondem uma à outra. As porções de abertura se comunicam uma com a outra quando a pluralidade de unidades de geração de energia é laminada, de modo a formar um tubo de descarga de gás de exaustão oxidante através do qual gás de exaustão oxidante é descarregado a partir do trajeto de fluxo da porção de corpo porosa. A primeira placa de separação faz contato com o trajeto de fluxo da porção de corpo porosa. A placa de proteção, o trajeto de fluxo da porção de corpo porosa, e a primeira placa de separação que faz contato com o trajeto de fluxo da porção de corpo porosa se projetam para dentro do tubo de descarga de gás de exaustão oxidante definido pela porção de vedação. De acordo com a célula de combustível, a placa de proteção, o trajeto de fluxo da porção de corpo porosa, e a primeira placa de separação se projetam para dentro do tubo de descarga de gás de exaustão oxidante definido pela porção de vedação. Assim sendo, a água gerada em virtude da reação da célula de combustível é facilmente descarregada dentro do tubo de descarga de gás de exaustão oxidante, desse modo tornando possível se restringir o fluxo reverso de água a partir do tubo de descarga de gás de exaustão oxidante para o trajeto de fluxo da porção de corpo porosa.

[05] Ambas as superfícies daquela parte do trajeto de fluxo da porção de corpo porosa que se projetam para dentro do tubo de descarga de gás de exaustão oxidante podem ser cobertas com a placa de proteção e a primeira placa de separação. Na referida configuração, uma vez que ambas as superfícies do trajeto de fluxo da porção de corpo porosa são cobertas com a placa de proteção e a primeira placa de separação, é possível se restringir o fluxo reverso da água gerada a partir de uma área assim coberta.

[06] Uma da placa de proteção e a primeira placa de separação que é disposta aa jusante em uma direção de fluxo do gás de exaustão oxidante no tubo de descarga de gás de exaustão oxidante pode ter uma quantidade de projeção menor para se projetar dentro do tubo de descarga de gás de exaustão oxidante, do que a outra das mesmas que é disposta a montante na direção de fluxo. A água gerada descarregada para o tubo de descarga de gás de exaustão oxidante flui a partir de a montante para a jusante. Na referida configuração, uma vez que o lado a montante do trajeto de fluxo da porção de corpo porosa é coberto, a água gerada é difícil de fluir para trás para o trajeto de fluxo da porção de corpo porosa.

[07] O trajeto de fluxo da porção de corpo porosa pode se projetar dentro do tubo de descarga de gás de exaustão oxidante mais do que a placa de proteção e a primeira placa de separação. Com a referida configuração, a água gerada é facilmente descarregada a partir da porção que se projeta da porção de corpo porosa.

[08] Uma da placa de proteção e a primeira placa de separação que é disposta a jusante na direção de fluxo do gás de exaustão oxidante no tubo de descarga de gás de exaustão oxidante pode incluir orifícios ou fendas configuradas para comunicar o tubo de descarga de gás de exaustão oxidante com o trajeto de fluxo da porção de corpo porosa. Com a referida configuração, a água gerada pode ser descarregada a partir dos orifícios ou das fendas.

[09] Observa-se que a presente invenção pode ser realizada em várias formas. Por exemplo, a presente invenção é capaz de ser alcançada em uma estrutura de drenagem de água gerada da célula de combustível, e formas similares, além da célula de combustível. Breve Descrição dos Desenhos

[010] Características, vantagens, e significados técnicos e industriais das modalidades exemplificativas da presente invenção serão descritos abaixo com referência aos desenhos em anexo, nos quais números similares denotam elementos similares, e em que:

[011] A figura 1 é uma vista explicativa que ilustra de modo esquemático a aparência de uma célula de combustível;

[012] A figura 2 é uma vista seccionada que ilustra de modo esquemático próximo de um tubo de descarga de gás de exaustão oxidante nas unidades de geração de energia proporcionada mais próxima de uma placa terminal;

[013] A figura 3 é uma vista explicativa que ilustra a configuração de um conjunto de camadas de eletrodos de difusão de gás e membrana (MEGA);

[014] A figura 4 é uma vista explicativa que ilustra aquela parte da unidade de geração de energia que está próxima do tubo de descarga de gás de exaustão oxidante em um modo ampliado;

[015] A figura 5 é uma vista explicativa que mostra um resultado de simulação indicativo de uma direção de fluxo de gás de exaustão oxidante em um exemplo comparativo e na presente modalidade;

[016] A figura 6 é uma vista explicativa que mostra a distribuição de água gerada naquela parte do tubo de descarga de gás de exaustão oxidante que está próxima da placa terminal, no exemplo comparativo;

[017] A figura 7 é uma vista explicativa que mostra a distribuição de água gerada naquela parte do tubo de descarga de gás de exaustão oxidante que está próxima da placa terminal na presente modalidade;

[018] A figura 8 é uma vista explicativa para brevemente comparar os fluxos de água gerados da presente modalidade e no exemplo comparativo;

[019] A figura 9 é um gráfico que mostra a perda de pressão da unidade de geração de energia;

[020] A figura 10 é uma vista explicativa que mostra uma relação de estequiometria de ar e a voltagem (a voltagem da célula) da unidade de geração de energia; e

[021] As figuras 11A a 11C são vistas explicativas que mostram a parte de uma modificação da presente modalidade. Descrição Detalhada das Modalidades

[022] Primeira Modalidade: A figura 1 é uma vista explicativa que ilustra de modo esquemático a aparência de uma célula de combustível. A célula de combustível 10 inclui unidades de geração de energia 100, terminais de placa 200, 210, uma placa de isolamento 220, e placas de extremidade 230, 240. A pluralidade de unidades de geração de energia 100 é proporcionada em um modo laminado. Os terminais de placa 200, 210 são dispostos em lados respectivos das unidades de geração de energia 100 assim laminadas, e são usados para remover a voltagem e a corrente a partir das unidades de geração de energia 100. A placa de isolamento 220 é disposta fora da placa terminal 200. Dependendo da parte fixada na porção de corpo, a placa de isolamento pode ser disposta fora da placa terminal 210. As placas de extremidade 230, 240 são dispostas em lados respectivos da célula de combustível 10 de modo a prender as unidades de geração de energia 100, os terminais de placa 200, 210, e a placa de isolamento 220.

[023] A célula de combustível 10 é configurada de modo que as unidades de geração de energia 100, a placa terminal 200, a placa de isolamento 220, e a placa de extremidade 230 cada uma das quais tenha uma pluralidade de porções de abertura, e porções de abertura correspondentes se comunicam uma com a outra de modo a formar os tubos 310, 315, 320, 325, 330, 335. O tubo 310 é usado para fornecer gás oxidante para as unidades de geração de energia 100, de modo que o tubo 310 é também referido como um tubo de fornecimento de gás oxidante 310. Daqui em diante, a partir do ponto de vista dos respectivos papéis, os tubos 315, 320, 325, 330, 335 são respectivamente referidos como um "tubo de descarga de gás de exaustão oxidante 315," um "tubo de fornecimento de gás combustível 320," um "tubo de descarga de gás de exaustão combustível 325," um "tubo de fornecimento de refrigerante 330," e um " tubo de descarga de refrigerante 335."

[024] A figura 2 é uma vista seccionada que ilustra de modo esquemático em proximidade ao tubo de descarga de gás de exaustão oxidante 315 nas unidades de geração de energia 100 proporcionadas mais próximas da placa terminal 210. As unidades de geração de energia 100 cada uma das quais inclui um conjunto de camadas de eletrodos de difusão de gás e membrana 110 (daqui em diante referido como "MEGA 110"), uma armação 140, uma placa de separação do lado do catodo 150, uma placa de separação do lado do anodo 160, um trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170, e uma placa de proteção 180. A configuração da MEGA 110 será descrita posteriormente later.

[025] A armação 140 é um membro para suportar a MEGA 110 a partir de sua borda externa, e é produzido de resina. A armação 140 veda o vazamento de gás oxidante, de gás combustível, e refrigerante junto com a placa de separação do lado do catodo 150 e a placa de separação do lado do anodo 160, de modo que a armação 140 é também referida como uma porção de vedação. A placa de proteção 180 é disposta em um lado do catodo da armação 140. A placa de proteção 180 é uma placa de metal, e parcialmente se projeta para dentro do tubo de descarga de gás de exaustão oxidante 315. Importante observar que, na presente modalidade, a placa de separação do lado do catodo 150, a placa de separação do lado do anodo 160, e a armação 140 têm diferentes comprimentos, de modo que uma extremidade (a extremidade de fundo na figura 2) do tubo de descarga de gás de exaustão oxidante 315 é determinada por uma superfície de extremidade 140a da armação 140. Em consideração de uma variação de fabricação, saliência, ou semelhante da armação 140, a extremidade do tubo de descarga de gás de exaustão oxidante 315 pode ser determinada pela posição média da superfície de extremidade 140a da armação 140. Observa-se que as posições de extremidade de uma superfície de extremidade oposta 140b da armação 140, a placa de separação do lado do catodo 150, e a placa de separação do lado do anodo 160 estão na mesma posição em uma direção de cima para baixo na figura, de modo que a outra extremidade (a extremidade superior na figura 2) do tubo de descarga de gás de exaustão oxidante 315 pode ser determinada por qualquer uma de superfície de extremidade oposta 140b da armação 140, e as extremidades da placa de separação do lado do catodo 150 e a placa de separação do lado do anodo 160. O trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170 é disposto nos lados do catodo da MEGA 110, da armação 140, e da placa de proteção 180. O trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170 é um trajeto de fluxo para fluir o gás oxidante através do mesmo, e é produzido de metal expandido. Em vez de metal expandido, o trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170 pode ser produzido de outros tipos de porções de corpo porosas de metal. O trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170 se projeta para a mesma posição que a da placa de proteção 180 no tubo de descarga de gás de exaustão oxidante 315. Importante observar que, na figura 2, as quantidades de projeção da placa de separação do lado do catodo 150, do trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170, e da placa de proteção 180 são mostradas de modo esquemático.

[026] A placa de separação do lado do catodo 150 é disposta naquele lado do trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170 que é adjacente à unidade de geração de energia 100 ou à placa terminal 210. A placa de separação do lado do catodo 150 é a placa de metal, e parcialmente se projeta para dentro do tubo de descarga de gás de exaustão oxidante 315. A placa de separação do lado do anodo 160 é disposta nas referidas superfícies da MEGA 110 e a armação 140 que são opostas ao trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170. A placa de separação do lado do anodo 160 é a placa de metal que tem um formato irregular. A placa de separação do lado do anodo 160 não se projeta para dentro do tubo de descarga de gás de exaustão oxidante 315. Um trajeto de fluxo de gás combustível 132 é formado entre a placa de separação do lado do anodo 160 e a MEGA 110, e uma passagem de refrigerante é formada entre a placa de separação do lado do anodo 160 e a placa de separação do lado do catodo 150.

[027] A figura 3 é uma vista explicativa que ilustra a configuração do conjunto de camadas de eletrodos de difusão de gás e membrana 110 (MEGA 110). A MEGA 110 inclui uma membrana de eletrólito 112, uma camada catalítica do lado do catodo 114, uma camada catalítica do lado do anodo 116, uma camada de difusão de gás do lado do catodo 118, e uma camada de difusão de gás do lado do anodo 120. A membrana de eletrólito 112 é uma membrana de eletrólito que tem condutividade de próton, e resina de eletrólito fluorada (resina de troca de íon) tal como polímero de ácido sulfônico de perfluorocarbono é usado, por exemplo.

[028] A camada catalítica do lado do catodo 114 e a camada catalítica do lado do anodo 116 têm um catalisador que porta carbono (por exemplo, platina). Na presente modalidade, a camada catalítica do lado do anodo 116 é aplicada por toda uma primeira superfície da membrana de eletrólito 112, mas a camada catalítica do lado do catodo 114 é aplicada apenas em uma região parcial (região de geração de energia) de uma segunda superfície da membrana de eletrólito 112. A razão para isso é como a seguir: a camada catalítica do lado do anodo 116 pode ter uma menor quantidade de catalisador por área de unidade do que a camada catalítica do lado do catodo 114 (tipicamente não mais do que a metade da quantidade de catalisador por área de unidade da camada catalítica do lado do catodo 114, por exemplo, cerca de um terço da mesma), de modo que mesmo se o catalisador é aplicado por toda a primeira superfície de a membrana de eletrólito 112, isso não causa desperdício excessivo, e uma etapa de aplicação pode ser realizada com facilidade.

[029] A camada de difusão de gás do lado do catodo 118 é disposta na camada catalítica do lado do catodo 114, e a camada de difusão de gás do lado do anodo 120 é disposta na camada catalítica do lado do anodo 116. A camada de difusão de gás do lado do catodo 118 e a camada de difusão de gás do lado do anodo 120 são produzidas de papel carbono. Entretanto, as mesmas podem ser produzidas de um tecido não tecido de carbono em vez de papel carbono.

[030] A figura 4 é uma vista explicativa que ilustra aquela parte da unidade de geração de energia 100 que está próxima do tubo de descarga de gás de exaustão oxidante 315 em um modo ampliado. Aqui, duas estruturas da presente modalidade e um exemplo comparativo são ilustrados. A presente modalidade e o exemplo comparativo são comuns no sentido de que o trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170 e a placa de proteção 180 se projetam para dentro do tubo de descarga de gás de exaustão oxidante 315. Entretanto, na presente modalidade, a placa de separação do lado do catodo 150 e a placa de proteção 180 se projetam para dentro do tubo de descarga de gás de exaustão oxidante 315 apenas pelo mesmo comprimento que o do trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170, e ambas as superfícies do trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170 são cobertas com a placa de separação do lado do catodo 150 e a placa de proteção 180. De modo diferente, no exemplo comparativo, a placa de separação do lado do catodo 150 não se projeta para dentro do tubo de descarga de gás de exaustão oxidante 315, que é diferente a partir da presente modalidade.

[031] A figura 5 é uma vista explicativa que mostra um resultado de simulação indicativo de uma direção de fluxo de gás de exaustão oxidante do exemplo comparativo e a presente modalidade. Na presente modalidade, uma vez que ambas as superfícies do trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170 são cobertas com a placa de proteção 180 e a placa de separação do lado do catodo 150, as direções de gás de exaustão oxidante e água gerada descarregada a partir do trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170 são em geral verticais a uma direção de fluxo de gás de exaustão oxidante que flui através do tubo de descarga de gás de exaustão oxidante 315. De modo diferente, no exemplo comparativo, uma vez que a parte da superfície do trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170 em um lado da placa de separação do lado do catodo 150 não é coberta com a placa de separação do lado do catodo 150, o gás de exaustão oxidante e a água gerada descarregada a partir do trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170 fluem não só em uma direção em geral vertical à direção de fluxo de gás de exaustão oxidante que flui através do tubo de descarga de gás de exaustão oxidante 315, mas também em uma direção reversa à direção de fluxo do gás de exaustão oxidante que flui através do tubo de descarga de gás de exaustão oxidante 315.

[032] A figura 6 é uma vista explicativa que mostra a distribuição da água gerada naquela parte do tubo de descarga de gás de exaustão oxidante 315 que está próxima da placa terminal 210, no exemplo comparativo. Como descrito acima, no exemplo comparativo, uma vez que o gás de exaustão oxidante e a água gerada descarregada a partir do trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170 também fluem na direção reversa à direção de fluxo do gás de exaustão oxidante que flui através do tubo de descarga de gás de exaustão oxidante 315, a água gerada é acumulada e retida em um lado mais profundo do tubo de descarga de gás de exaustão oxidante 315, ou seja, próximo da placa terminal 210, como indicado por uma seta no lado esquerdo na figura 6. Aqui, quando uma carga para célula de combustível 10 (A figura 1) é reduzida e um fluxo do gás oxidante é reduzido, a água gerada (daqui em diante também referida como "água retida") assim retida funciona como uma cobertura com relação ao gás de exaustão oxidante descarregado a partir do trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170, de modo a obstruir a descarga do gás de exaustão oxidante. Como um resultado, a perda de pressão do gás oxidante aumenta. Isso resulta em que o gás oxidante é difícil de ser fornecido para a unidade de geração de energia 100 em um lado mais profundo. Ademais, a porção de contato entre a água retida e o trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170 é grande, e portanto, quando o fornecimento do gás oxidante para a célula de combustível 10 para, a água retida tem facilidade de fluir para trás para o trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170.

[033] A figura 7 é uma vista explicativa que mostra a distribuição da água gerada naquela parte do tubo de descarga de gás de exaustão oxidante 315 que está próxima da placa terminal 210, na presente modalidade. Uma vez que não há quase nenhuma água retida em uma saída de gás de exaustão oxidante da porção do trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170, mesmo se houver água retida em outras partes, a água retida é difícil de agir como uma cobertura. Ademais, uma vez que a porção de contato entre a água retida e o trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170 é pequena, mesmo se o fornecimento do gás oxidante para a célula de combustível 10 parar, a água retida é difícil de fluir para trás para o trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170.

[034] A figura 8 é uma vista explicativa para resumidamente comparar os fluxos da água gerada da presente modalidade e a modalidade comparativa. Na presente modalidade, o gás de exaustão oxidante e a água gerada são descarregados em uma direção (uma direção de cima para baixo na figura 8) ao longo da direção longitudinal do trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170. De modo diferente, no exemplo comparativo, o gás de exaustão oxidante e a água gerada são descarregados em direção de uma direção intermediária entre a direção ao longo da direção longitudinal do trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170 e a direção em direção a montante do tubo de descarga de gás de exaustão oxidante 315. Importante observar que, na presente modalidade, a água retida (a água gerada) é acumulada em uma porção fendida entre a placa de separação do lado do catodo 150 e a placa de proteção 180 como ilustrado na figura 7. Entretanto, a água retida dificilmente faz contato com o trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170, de modo que a água retida é difícil de fluir para trás para o trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170. De modo diferente, no exemplo comparativo, como ilustrado na figura 6, a água retida (a água gerada) é acumulada em uma porção fendida entre o trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170 e a placa de proteção 180, de modo a fazer contato com o trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170, e assim, pode ser dito que a água retida tem facilidade de fluir para trás para o trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170.

[035] A figura 9 é um gráfico que mostra a perda de pressão da unidade de geração de energia 100. Importante observar que, na figura 9, a perda de pressão é indicada pelo uso de uma relação quando a perda de pressão é 1.0 em um estado seco do exemplo comparativo. Ademais, muitas unidades de geração de energia 100 são proporcionadas na célula de combustível 10, mas um valor no gráfico é um valor médio. "Seco" indica um estado onde o gás oxidante é fluido em um estado onde nenhuma energia elétrica é gerada na célula de combustível 10, ou seja, em um estado onde nenhuma água gerada é gerada. "Molhado" indica um estado onde o gás oxidante é flui em um estado onde energia elétrica é gerada na célula de combustível 10 em uma máxima quantidade de corrente, ou seja, em um estado onde a quantidade de geração da água gerada é máxima. Quando a célula de combustível 10 é proporcionada em um veículo ou semelhante para uso, a célula de combustível 10 é operada em um estado entre o estado seco e o estado molhado.

[036] Em geral, em um lado de entrada do tubo de fornecimento de gás oxidante 310, o gás oxidante é fácil de entrar na unidade de geração de energia 100. Entretanto, em um lado de extremidade distante da placa terminal 210, o gás oxidante é difícil de entrar na unidade de geração de energia 100 em virtude da perda de pressão. Particularmente, no estado molhado, a perda de pressão no lado de entrada não é diferente a partir de o estado seco. Entretanto, no lado de extremidade distante da placa terminal 210, a perda de pressão é adicionalmente aumentada em virtude da água gerada, assim sendo o gás oxidante é difícil de entrar na unidade de geração de energia 100 em virtude da perda de pressão. Assim sendo, a perda de pressão é maior no estado molhado do que o estado seco.

[037] Como descrito acima, em um veículo, a célula de combustível 10 é operada em um estado entre o estado seco e o estado molhado. Por conta disso, é preferível que a perda de pressão seja reduzida no estado molhado onde a perda de pressão é grande. Quando a perda de pressão é 1.0 no estado seco no exemplo comparativo, a perda de pressão no estado molhado no exemplo comparativo é 2.8, e a perda de pressão no estado molhado na presente modalidade é 2.5. como tal, a presente modalidade é mais preferível do que o exemplo comparativo.

[038] Ademais, é também preferível que a relação de molhado/seco de perda de pressão seja pequena pela razão a seguir. Por exemplo, em um estado operacional em um caso onde a célula de combustível 10 é operada em uma alta temperatura, a célula de combustível 10 seca em virtude da alta temperatura, de modo que o estado de operação nesse momento está próximo do estado de operação no estado seco. Aqui, quando o veículo para e se move lentamente de modo a entrar em um estacionamento ou semelhante, a temperatura da célula de combustível 10 reduz, de modo que o estado de operação é mudado a partir do estado seco para o estado molhado. Nesse caso, as unidades de geração de energia 100 não entram no mesmo estado molhado. Aqui, se a relação de perda de pressão entre o estado seco e o estado molhado ande, um estado de fornecimento de gás de cada uma das unidades de geração de energia 100 é grandemente mudada entre os referidos dois estados, de modo que uma eficaz geração de energia deve ser obstruída. Assim sendo, é preferível que a relação de molhado/seco de perda de pressão seja pequena. A relação de molhado/seco de perda de pressão é 2.8 no exemplo comparativo, enquanto que a relação de molhado/seco de perda de pressão é 2.4 na presente modalidade, de modo que a presente modalidade é mais preferível do que o exemplo comparativo.

[039] A figura 10 é uma vista explicativa que mostra uma relação de estequiometria de ar e a voltagem (voltagem de célula) da unidade de geração de energia 100. Na presente modalidade, a voltagem da unidade de geração de energia 100 no momento em que uma determinada corrente flui através da unidade de geração de energia 100 é medida. Aqui, a relação de estequiometria do ar indica uma relação de uma quantidade de gás oxidante para fluir através da unidade de geração de energia 100 com relação à quantidade de gás oxidante necessária para fluir uma determinada corrente através da unidade de geração de energia 100. Por exemplo, quando a relação de estequiometria do ar é 2, o gás oxidante que tem uma quantidade duas vezes maior que a necessária quantidade de gás oxidante para fluir uma determinada corrente através da unidade de geração de energia 100 fluir através da unidade de geração de energia. Aqui, a influência pela retenção da água gerada facilmente ocorre em um lado de baixa relação de estequiometria do ar com um pequeno coeficiente de fluxo do gás oxidante. Em uma região onde a relação de estequiometria do ar é baixa, a célula voltagem é mais alta na presente modalidade do que no exemplo comparativo, de modo que pode ser dito que a presente modalidade é eficaz.

[040] Como descrito acima, na presente modalidade, o trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170, a placa de separação do lado do catodo 150, e a placa de proteção 180 se projetam para dentro do tubo de descarga de gás de exaustão oxidante definido pela armação 140, de modo que quase não há água retida na saída de porção do trajeto de fluxo do gás de exaustão oxidante da porção de corpo porosa 170, e a água retida pode dificilmente agir como uma cobertura. Ademais, uma vez que a porção de contato entre a água retida e o trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170 é pequena, mesmo se o fornecimento do gás oxidante para a célula de combustível 10 parar, a água retida é difícil de fluir para trás para o trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170. Como um resultado, a água gerada é fácil de ser descarregada, desse modo tornando possível se restringir a redução do desempenho de geração de energia no estado molhado.

[041] As figuras 11A a 11C são vistas explicativas que mostram uma parte da modificação da presente modalidade. Na figura 11A, um trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170, uma placa de separação do lado do catodo 150, e uma placa de proteção 180 se projetam para dentro de um tubo de descarga de gás de exaustão oxidante definido pela armação 140, que é comum com a presente modalidade. Entretanto, a quantidade de projeção da placa de proteção 180 é menor do que a quantidade de projeção do trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170. Como um resultado, a placa de proteção 180 cobre aquela parte do trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170 que é mais próxima de uma superfície de extremidade 140a da armação 140, mas não cobre uma extremidade (um lado superior na figura 11A) do trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170. Na referida modificação, o gás de exaustão oxidante e a água gerada são descarregadas em direção de uma direção intermediária entre a direção ao longo de uma direção longitudinal do trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170 e a direção em direção a jusante de um tubo de descarga de gás de exaustão oxidante 315. Aqui, a água gerada é descarregada suavemente sem fluir para trás.

[042] Na figura 11B, um trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170, uma placa de separação do lado do catodo 150 e uma placa de proteção 180 são dispostos da mesma maneira que na presente modalidade, mas a placa de proteção 180 inclui muitos orifícios 181, o que é diferente a partir da presente modalidade. Na referida modificação, o gás de exaustão oxidante e água gerada são descarregados em uma direção ao longo da direção longitudinal do trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170, de modo similar à presente modalidade, e adicionalmente descarregada a partir dos orifícios 181 da placa de proteção 180 em uma direção a jusante do fluxo do gás de exaustão oxidante. Aqui, a água gerada é descarregada facilmente para fora da célula de combustível 10 sem fluir para trás. Observa-se que fendas podem ser empregadas em vez dos orifícios 181, desde que a água gerada seja descarregada a partir das mesmas.

[043] Na figura 11C, um trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170, uma placa de separação do lado do catodo 150 e uma placa de proteção 180 são configurados para se projetarem para dentro de um tubo de descarga de gás de exaustão oxidante 315 definido pela armação 140, que é comum com a presente modalidade, mas quantidades de projeção da placa de proteção 180 e da placa de separação do lado do catodo 150 são menores do que as quantidades de projeção do trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170. Ou seja, aquela parte do trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170 que é mais próxima de uma superfície de extremidade 140a da armação 140 é coberta com a placa de separação do lado do catodo 150 e a placa de proteção 180, mas uma extremidade (um lado superior na figura 11C) do trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170 não é coberta com a placa de proteção 180 e a placa de separação do lado do catodo 150. Na referida modificação, o gás de exaustão oxidante e água gerada são descarregados em uma direção ao longo da direção longitudinal do trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170, de modo similar à presente modalidade. Quando existe água retida, a água retida é acumulada entre a placa de separação do lado do catodo 150 e a placa de proteção 180 como ilustrado no lado direito na figura 6 ou na figura 7. Mesmo na referida modificação, de modo similar à presente modalidade ilustrada na figura 7, o trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170 é difícil de fazer contato com a água retida, de modo que a água retida é difícil de agir como uma cobertura. Ademais, mesmo se o fornecimento do gás oxidante para a célula de combustível 10 parar, a água retida é difícil de fluir para trás para o trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170. É preferível que as quantidades de projeção da placa de proteção 180 e da placa de separação do lado do catodo 150 tenham as mesmas quantidades de projeção, ou a placa de separação do lado do catodo 150 proporcionada a montante do fluxo do gás de exaustão oxidante se projeta mais do que a placa de proteção 180, desde que as quantidades de projeção da placa de proteção 180 e da placa de separação do lado do catodo 150 sejam menores do que a quantidade de projeção do trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170. É preferível que a relação a seguir seja satisfeita, "a quantidade de projeção do trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170 > a quantidade de projeção da placa de separação do lado do catodo 150 >a quantidade de projeção da placa de proteção 180."Observa-se que a placa de proteção 180 pode se projetar mais do que a placa de separação do lado do catodo 150.

[044] Na modalidade acima, um lado do catodo da unidade de geração de energia 100 é disposto a montante do fluxo do tubo de descarga de gás de exaustão oxidante 315, e um lado do anodo dos mesmos é disposto a jusante do fluxo do tubo de descarga de gás de exaustão oxidante 315, mas a relação do catodo e do anodo pode ser diferente do dito acima. Nesse caso, no exemplo que corresponde à figura 11A da modificação, a quantidade de projeção da placa de separação do lado do catodo 150 deve ser menor do que as quantidades de projeção do trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170 e da placa de proteção 180. Ademais, no exemplo que corresponde à figura 11B da modificação, porções de abertura devem ser proporcionadas na placa de separação do lado do catodo 150.

[045] Como pode ser entendido a partir da modalidade acima e das várias modificações, é preferível que a placa de proteção 180, o trajeto de fluxo da porção de corpo porosa 170, e a placa de separação do lado do catodo 150 se projetam para dentro do tubo de descarga de gás de exaustão oxidante 315 definido pela armação 140.

[046] A modalidade da presente invenção foi descrita acima com base em alguns exemplos, mas a modalidade da presente invenção acima é pretendida para facilitar o entendimento da presente invenção, e não de modo a limitar a presente invenção. A presente invenção pode ser alterada ou modificada sem se desviar a partir do espírito e âmbito das reivindicações, e ademais, é desnecessário dizer que a presente invenção inclui as suas equivalentes.

Claims

1. Célula de combustível compreendendo uma pluralidade de unidades de geração de energia laminadas, cada uma das unidades de geração de energia (100) incluindo: um conjunto de camadas de eletrodos de difusão de gás e membrana (110) que inclui uma membrana de eletrólito (112), uma camada catalítica do lado do ânodo (116), e uma camada catalítica do lado do cátodo (114) de modo que a membrana de eletrólito (112) é disposta entre a camada catalítica do lado do ânodo (116) e a camada catalítica do lado do cátodo (114); uma porção de vedação (140) disposta ao longo de uma circunferência externa do conjunto de camadas de eletrodos de difusão de gás e membrana (110); um trajeto de fluxo da porção de corpo porosa (170) disposto de modo a ser oposto à camada catalítica do lado do cátodo (114) e na qual o gás oxidante fornecido para a camada catalítica do lado do cátodo (114) flui; uma placa de proteção (180) proporcionada entre a porção de vedação (140) e o trajeto de fluxo da porção de corpo porosa (170); e primeira e segunda placas de separação (150, 160) configuradas para fazer uma disposição do tipo intercalado do conjunto de camadas de eletrodos de difusão de gás e membrana (110) e do trajeto de fluxo da porção de corpo porosa (170) entre as mesmas, a célula de combustível caracterizada pelo fato de que uma porção de vedação (140) e as primeira e segunda placas de separação (150, 160) têm porções de abertura em posições que correspondem uma a outra, as porções de abertura se comunicam umas com as outras quando a pluralidade de unidades de geração de energia é laminada, de modo a formar um tubo de descarga de gás de exaustão oxidante (315) através do qual gás de exaustão oxidante é descarregado a partir do trajeto de fluxo da porção de corpo porosa (170), uma primeira placa de separação (150) faz contato com o trajeto de fluxo da porção de corpo porosa (170), e a placa de proteção (180), o trajeto de fluxo da porção de corpo porosa (170), e a primeira placa de separação (150) se projetam para dentro do tubo de descarga de gás de exaustão oxidante (315) definido pela porção de vedação (140).

2. Célula de combustível, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que: ambas as superfícies daquela parte do trajeto de fluxo da porção de corpo porosa (170) que se projetam para dentro do tubo de descarga de gás de exaustão oxidante (315) são cobertas com a placa de proteção (180) e a primeira placa de separação (150).

3. Célula de combustível, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que: uma da placa de proteção (180) e da primeira placa de separação (150) que é disposta em um a jusante em uma direção de fluxo do gás de exaustão oxidante no tubo de descarga de gás de exaustão oxidante (315) tem uma quantidade de projeção menor para se projetar dentro do tubo de descarga de gás de exaustão oxidante (315), do que a outra das mesmas que é disposta a montante na direção de fluxo.

4. Célula de combustível, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que: o trajeto de fluxo da porção de corpo porosa (170) se projeta para dentro do tubo de descarga de gás de exaustão oxidante (315) mais do que a placa de proteção (180) e a primeira placa de separação (150).

5. Célula de combustível, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, caracterizada pelo fato de que: uma da placa de proteção (180) e da primeira placa de separação (150) que é disposta a jusante em uma direção de fluxo do gás de exaustão oxidante no tubo de descarga de gás de exaustão oxidante (315) inclui orifícios ou fendas configuradas para comunicar o tubo de descarga de gás de exaustão oxidante (315) com o trajeto de fluxo da porção de corpo porosa (170).