BRPI0418263B1 - Método para operar uma pilha de células combustíveis eletroquímicas, e, conjunto de células combustíveis eletroquímicas. - Google Patents

Abstract

método para operar uma célula combustível eletroquímica, e, conjunto de célula combustível eletroquímica uma célula combustível eletroquímica possuindo um anodo, uma membrana de transferência de íon e um catodo, possui água líquida fornecida aos canais de fluxo de fluido dentro do catodo, de modo a manter uma umidade relativa de 100% através dos anais de fluxo de fluido. é descrito um método de aparelho de calibração para determinar uma quantidade ótima ou faixa de quantidades de água líquida a ser fornecida aos canais de fluxo de fluido de catodo sob condições de operação variáveis. um método e aparelho de operação é descrito, o qual assegura que uma quantidade ótima de água líquida seja fornecida aos canais de fluxo de fluido de catodo sob condições operacionais variáveis.

Description

“MÉTODO PARA OPERAR UMA PILHA DE CÉLULAS COMBUSTÍVEIS ELETROQUÍMICAS, E, CONJUNTO DE CÉLULAS COMBUSTÍVEIS ELETROQUÍMICAS” A presente invenção diz respeito a células combustíveis eletroquímicas, tais como células combustíveis de eletrólito de polímero sólido, que convertem combustível e oxidante em energia elétrica e um produto de reação.

Um projeto típico de uma célula combustível convencional 10 é mostrado na Figura 1 que, para clareza, ilustra as várias camadas em forma explodida. Uma membrana de transferência de íon de polímero sólido 11 forma um sanduíche entre um anodo 12 e um catodo 13. Tipicamente, o anodo 12 e o catodo 13 são ambos formados a partir de um material eletricamente condutor, poroso, tal como carbono poroso, ao qual pequenas partículas de platina e/ou outros catalisadores de metal precioso são ligadas. O anodo 12 e catodo 13 são frequentemente ligados diretamente às respectivas superfícies adjacentes da membrana 11. Esta combinação é comumente referida como o conjunto membrana-eletrodo, ou MEA.

Formando um sanduíche com a membrana de polímero e as camadas de eletrodo poroso está uma placa de campo de fluxo de fluido de anodo 14 e uma placa de campo de fluxo de fluido de catodo 15. Camadas de apoio intermediárias 12a e 13a podem também ser empregadas entre a placa de campo de fluxo de fluido de anodo 14 e o anodo 12, e similarmente entre a placa de campo de fluxo de fluido de catodo 15 e o catodo 13. As camadas de apoio são de natureza porosa e fabricadas de modo a assegurar efetiva difusão do gás para e a partir das superfícies do anodo e catodo, bem como auxiliar no gerenciamento do vapor d’água e água líquida.

As placas de campo de fluxo de fluido 14, 15 são formadas de um material eletricamente condutor, não poroso, pelo qual o contato elétrico pode ser feito com o respectivo eletrodo de anodo 12 ou eletrodo de catodo 13. Ao mesmo tempo, as placas de campo de fluxo de fluido precisam facilitar a entrega e/ou exaustão do combustível fluido, oxidante e/ou produto de reação para ou a partir dos eletrodos porosos. Isto é convencionalmente efetuado formando passagens de fluxo de fluido em uma superfície das placas de campo de fluxo de fluido, tais como ranhuras ou canais 16 na superfície apresentada aos eletrodos porosos 12, 13.

Com referência também à Figura 2(a), uma configuração convencional de canal de fluxo de fluido provê uma estrutura de serpentina 20 em uma face do anodo 14 (ou catodo 15) possuindo um orifício de admissão de tubulação 21 e um orifício de saída de tubulação 22 conforme mostrado na Figura 2(a). De acordo com o projeto convencional, será entendido que a estrutura de serpentina 20 compreende um canal 16 na superfície da placa 14 (ou 15), enquanto as tubulações 21 e 22 compreendem cada uma, uma abertura através da placa, de tal modo que para fornecimento ou retirada do fluido, canal 16 pode ser comunicado através da profundidade de uma pilha de placas numa direção ortogonal à placa, conforme particularmente indicado pela seta na seção transversal A-A mostrada na Figura 2(b).

Outras aberturas de tubulação 23, 25 podem ser providas para combustível, oxidante, outros fluidos ou comunicação de exaustão para outros canais nas placas, não mostrados.

Os canais 16 nas placas de campo de fluxo de fluido 14, 15 podem ser de extremidade aberta em ambas extremidades, isto é, os canais estendendo-se entre um orifício de admissão de tubulação 21 e um orifício de saída de tubulação 22 conforme mostrado, permitindo uma taxa de escoamento contínuo do fluido, tipicamente usada para um fornecimento combinado de oxidante e exaustão de reagente. Altemativamente, os canais 16 podem ser fechados em uma extremidade, isto é, cada canal tem comunicação somente com um orifício de admissão de tubulação 21 para fornecer fluido, baseando-se inteiramente em 100% de transferência de material gasoso para dentro e para fora dos eletrodos porosos do MEA. O canal fechado pode ser tipicamente usado para fornecer combustível hidrogênio para o MEA 11-13 em uma estrutura tipo pente.

Com referência à Figura 3, é mostrada uma vista em seção em corte de parte da pilha de placas formando um conjunto de células combustíveis convencionais 30. Neste arranjo, placas de campo de fluxo de fluido adjacentes de anodo e catodo são combinadas da maneira convencional, para formar uma única placa bipolar 32 possuindo canais de anodo em uma face e canais de catodo 33 na face oposta, cada uma adjacente a um respectivo conjunto de membrana-eletrodo (MEA) 34. Aberturas de orifício de admissão de tubulação 21 e aberturas de orifício de saída de tubulação 22 são todas superpostas para prover o orifício de admissão e orifício de saída das tubulações à pilha inteira. Os vários elementos da pilha são mostrados ligeiramente separados para maior clareza, embora seja entendido que estes serão comprimidos juntos, usando gaxetas de selagem, se requeridos.

No sentido de obter capacidade de fornecimento de potência alta e mantida a partir de uma célula combustível, é geralmente necessário manter um alto conteúdo de água dentro do conjunto membrana-eletrodo, e em particular dentro da membrana.

Na técnica anterior, isto é obtido convencionalmente umidificando os gases de alimentação, seja combustível, ar ou ambos, alimentados através de tubulações 21, 22 ou 23 e canais 16. Em outras palavras, a água na fase de vapor (posteriormente “água gasosa”) é introduzida nos canais 16. Isto também pode contribuir até certo ponto para o gerenciamento de calor dentro do conjunto de células combustíveis.

Um outro método é fornecer água na fase líquida (posteriormente “água líquida”) diretamente à membrana 11, 34, por exemplo, diretamente às superfícies do eletrodo ou nos canais 16 das placas bipolares 31. Esta técnica tem a vantagem de, não só fornecer a água para manter um alto conteúdo de água na membrana como também agir para refrigerar significativamente a célula combustível através da evaporação e extração de calor latente de vaporização. Uma descrição detalhada de técnicas para introduzir água em fase líquida diretamente às superfícies de eletrodo ou nos canais 16 foi descrita no pedido de patente internacional n° PCT/GB03/02973 (não publicado no momento de depósito deste pedido). Partes relevantes daquele documento são, portanto, reproduzidas aqui onde apropriado.

Este processo de remoção de calor direto que provê a extração da energia térmica através do fluxo de gás de saída, tem vantagens distintas associadas à eliminação de placas de refrigeração intermediárias dentro do conjunto de pilhas de células combustíveis. É um objetivo da presente invenção prover um método e aparelho para prover operação melhorada de uma pilha de células combustíveis refrigeradas por evaporação, através da introdução de excesso de água nos canais 16 do eletrodo de catodo.

De acordo com um aspecto, a presente invenção provê um método para operar uma célula combustível eletroquímica possuindo um anodo, uma membrana de transferência de íon e um catodo, compreendendo as etapas de: fornecimento de combustível fluido aos canais de fluxo de fluido dentro do anodo; fornecimento de oxidante fluido aos canais de fluxo de fluido dentro do catodo; exaustão de sub-produtos de reação e de qualquer oxidante inutilizado dos canais de fluxo de fluido dentro do catodo; e fornecimento de uma quantidade suficiente de água líquida aos canais de fluxo de fluido dentro do catodo, de tal modo que uma umidade relativa de 100% seja mantida substancialmente ao longo dos canais de fluxo de fluido.

De acordo com um outro aspecto, a presente invenção provê um conjunto de células combustíveis eletroquímicas compreendendo: pelo menos urna placa de campo de fluxo de fluido de anodo possuindo canais de fluxo de fluído nela; pelo menos uma membrana de transferência de íon; pelo menos uma placa de campo de fluxo de fluido de catodo possuindo canais de fluxo de fluido nela; meios para fornecer combustível fluído aos canais de fluxo de fluído de anodo; meios para fornecer oxidame fluído aos canais de fluxo de fluido de catodo; um mecanismo de injeção de água para fornecer uma quantidade suficiente de água líquida aos canais de fluxo de fluido dentro do catodo, de tal modo que seja mantida uma umidade relativa de 100% substancialmente ao longo dos canais de fluxo de fluido, durante condições de operação normal da célula combustível Realizações da presente invenção serão agora descritas por meio de exemplo e com referência aos desenhos que a acompanham, nos quais: Figura 1 mostra uma vista em seção em corte esquemática através de uma parte de uma célula combustível convencional;

Figuras 2(a) e 2(b) respectivamente mostram um plano simplificado e vista em seção transversal de uma placa de campo de fluxo de fluido da célula combustível da Figura 1;

Figura 3 mostra uma vista em seção em corte através de uma pilha de células combustíveis convencionais com placas bipolares;

Figura 4(a) mostra uma vista plana de uma placa de campo de fluxo de fluido de célula combustível com conduto de fluído em serpentina, mostrando em linhas gerais a posição superposta de uma lâmina de distribuição de água e uma lâmina de cobertura;

Figura 5 mostra uma vista plana de uma lâmina de distribuição de água;

Figura 6 mostra uma vista em seção em corte da placa de campo de fluxo de fluido, lâmina de distribuição de água e lâmina de cobertura das Figuras 4 e 5;

Figura 7 mostra uma vista em perspectiva de parte do conjunto da Figura 6;

Figura 8 mostra uma vista em seção em corte de uma placa de campo de fluxo de fluido, lâmina de distribuição de água e lâmina de cobertura na qual as posições relativas da lâmina de distribuição de água e lâmina de cobertura são reversas;

Figura 9 mostra uma vista plana esquemática de pontos de injeção de água para uma estrutura de canal em pente interdigitada;

Figura 10 é um diagrama esquemático ilustrando os princípios de refrigeração de água do catodo de uma célula combustível;

Figura 11 é um gráfico ilustrando a variação de massa de água gasosa por unidade de massa de ar, como uma função da temperatura para condições plenamente saturadas, isto é, a 100% de umidade relativa;

Figura 12 é um gráfico ilustrando a variação em uma tensão de pilha de células combustíveis como uma função da vazão de água em fase líquida fornecida ao catodo;

Figura 13 é um gráfico ilustrando a vazão de água teórica mínima requerida como uma função da corrente de pilha de células combustíveis; e Figura 14 é um diagrama esquemático de componentes de um sistema de pilha de células combustíveis incluindo um sistema de gerenciamento de fornecimento de água.

Durante a operação de um conjunto de pilhas de células combustíveis 30, é gerado calor dentro da pilha de células combustíveis como uma consequência de perdas eletroquímicas e elétricas. Em um exemplo da célula combustível 10 resfriada por evaporação em um conjunto de pilhas, mostrado esquematicamente na Figura 10, este calor é removido através de um aumento na temperatura dos produtos de exaustão 100, 101 através da temperatura de orifício de admissão dos reagentes 102, 103 e pela vaporização de água líquida 104 fornecida ao catodo 13 e evaporada no fluxo de ar do catodo 103. Em todos, menos nos níveis de potência mais baixos, é verificado que o resfriamento por evaporação é o mecanismo dominante para remoção de calor. A evaporação de água líquida 104 ocorrerá se a pressão parcial de água gasosa no fluxo de ar do catodo for baixa o suficiente, isto é, em condições de umidade relativa < 100%, e há um suprimento de calor para vaporizar a água líquida. Uma vez que as condições locais são tais que a umidade relativa da água é 100%, isto é, o ar é saturado de vapor d’água, nenhuma evaporação adicional ocorrerá, a menos que qualquer das três condições seguintes prevaleça: (i) a vazão de ar seja aumentada de tal modo que a pressão parcial de água gasosa seja reduzida na proporção inversa; (ii) a pressão total seja reduzida de tal modo que a pressão parcial de água gasosa seja reduzida proporcionalmente; e (iii) a temperatura local aumente de tal modo que o ponto de equilíbrio seja deslocado, de modo que pode ocorrer mais evaporação até que o ar se tome inteiramente saturado.

Portanto, para uma célula combustível 10 operando com excesso de água no catodo 13 em cada localização na pilha de células combustíveis 30, a uma pressão constante e com uma vazão de ar do catodo constante, as condições de equilíbrio locais são tais que o ar é plenamente saturado e que qualquer remoção adicional de calor através de evaporação pode ser efetuada somente por um aumento da temperatura local. O aumento real de temperatura para efetuar evaporação, e, portanto, resfriamento, depende da sensibilidade do ponto de equilíbrio para evaporação nas condições que prevalecem e o grau de resfriamento requerido. Figura 11 mostra esquematicamente a variação na massa de água gasosa por unidade de massa de ar. com a temperatura, para condições plenamente saturadas, isto é, em condições de 100% de umidade relativa e a uma pressão total constante. Deste modo, a temperatura de operação da pilha é ajustada enormemente pela quantidade de evaporação necessária para efetuar ambos o resfriamento e a pressão total c vazão de massa do fluxo de ar de eatodo.

Conforme mostrado na Figura 11, a temperaturas mais altas, um pequeno aumento na temperatura ΔΤ conduz a um aumento significativo Διπ na quantidade de água gasosa que pode ser mantida no fluxo de ar, e. portanto, na quantidade de evaporação que pode ocorrer com o resultado do calor gerado dentro da pilha. Portanto, a temperatura da pilha permanecerá aproximadamente constante para uma ampla faixa de cargas térmicas, ambas globalmente (isto é, à medida que a potência de pilha total é variada) e local mente (isto é, devido a variações na taxa de geração de calor local, como consequência de não uniformidade» dentro da pilha para uma data potência total de pilha). Isto acarreta um alto grau de controle implícito sobre a temperatura de operação da pilha e conduz a um bom balanço térmico sendo mantido ao longo da pilha.

Ademais, a presença de excesso de água dentro dos canais individuais 16 ou passagens no conjunto de pilhas de células combustíveis 30 dá origem ao controle implícito da vazão de ar dentro de cada canal, conforme segue, Se uma dada passagem possui uma vazão de ar maior do que a média, então a água adicional pode ser evaporada no fluxo de ar, para prover resfriamento adicional, se requerido. Isto conduz a uma vazão de volume maior do que a média, na saída da passagem de fluxo que, na presença cie uma queda de pressão uniforme ao longo de todas as passagens de fluxo, limita a vazão de ar na passagem da célula provendo regulação implícita do fluxo de ar, conduzindo a balanço térmico de pilha melhorado e daí balanço de tensão de célula de pilha melhorado. Uma queda de pressão uniforme ao longo de todos os canais 16, é geralmente provida pelas dimensões relativas das tubulações 21, 22 e canais 16. O controle explícito da temperatura de pilha pode ser alcançado, se requerido, através da moderação da vazão de ar do catodo e/ou através da modificação da pressão total do fluxo de ar do catodo. Em outras palavras, a vazão de ar pode ser aumentada, reduzindo deste modo a pressão parcial de vapor d’água, aumentando o volume de ar no qual a água pode vaporizar. Portanto, água adicional pode ser vaporizada antes de ocorrer a saturação, criando resfriamento adicional e resultando em uma temperatura de operação de pilha mais baixa.

Altemativamente, ou em adição, a pressão de orifício de saída pode ser reduzida. Isto reduzirá novamente a pressão parcial do vapor d’água, reduzindo a pressão total. Isto tem o efeito de deslocar o ponto de equilíbrio, de tal modo que a água adicional pode ser vaporizada antes de ser alcançada a saturação, criando refrigeração adicional e resultando em uma temperatura de operação de pilha mais baixa.

Outros fatores, tais como a vazão de anodo, temperatura de entrada de combustível e oxidante, perdas de superfície etc., são verificados como sendo menos significativos.

Numa realização preferida de um sistema predominantemente não pressurizado, a temperatura de operação típica da pilha de células combustíveis está na faixa de 70 a 80°C. Entretanto, em princípio, este valor pode ser variado na faixa de 65 a 95°C, através do ajuste da vazão de ar e/ou pressão total do fluxo de ar do catodo. Em níveis de potência baixos, onde a refrigeração por evaporação não é dominante, a temperatura de operação da pilha pode ser significativamente mais fria. Operar o sistema em valores de pressão mais altos ou mais baixos habilitará uma variação significativa nas faixas de temperatura cotadas acima.

Na prática, a temperatura média dos reagentes e água líquida fornecidos à pilha de células combustíveis pode ser mais baixa do que a temperatura de operação de pilha. Portanto, algum resfriamento será provido pelo aquecimento destes fluxos de entrada até a temperatura de operação de pilha. Uma vez que os fluxos de entrada tenham alcançado a temperatura de operação de pilha, o restante do resfriamento será provido pela evaporação da água líquida no fluxo de ar do catodo. A proporção de resfriamento por evaporação é dependente de um número de fatores incluindo a vazão de ar do catodo, a vazão de água, a potência de pilha das células combustíveis e a temperatura dos fluxos de orifício de admissão. Na maioria dos casos, o resfriamento por evaporação é o mecanismo de refrigeração dominante conduzindo a um alto grau de controle de temperatura implícito conforme explicado previamente. Entretanto, para casos em que a temperatura média dos fluxos de orifício de admissão é mais baixa que a temperatura de operação de pilha, haverá um gradiente de temperatura na região da pilha onde os reagentes e água líquida são inseridos.

Para o resfriamento por evaporação ser efetivo, precisa haver água líquida suficiente presente em cada parte da pilha de células combustíveis. Se estiver presente água insuficiente, então o desempenho da pilha será reduzido com consequências potencialmente sérias.

Problemas possíveis incluem: (i) secagem da membrana, conduzindo a tensão baixa através da célula relevante; e (ii) pontos quentes causados pela ausência de água líquida e daí ausência de resfriamento por evaporação, conduzindo a deterioração da membrana e redução da vida.

No sentido de assegurar que água líquida suficiente esteja presente para efetuar resfriamento através de evaporação, estratégias alternativas podem ser adotadas: (i) medição precisa da água líquida para o catodo, de tal modo que haja água suficiente exatamente para manter uma umidade relativa de 100% ao longo da superfície inteira do catodo e em cada célula da pilha de células combustíveis; ou (ii) sobre fornecimento de água líquida à pilha inteira, de tal modo que haja sempre excesso de água presente ao longo de toda a superfície do catodo e em cada célula da pilha de células combustíveis. Para alcançar o fornecimento adequado de água líquida ao catodo, pontos de injeção de água podem ser providos para cada e todo canal de catodo 16 como será ilustrado mais tarde.

Nas células combustíveis práticas, a medição precisa da água líquida para cada parte da pilha de células combustíveis é difícil de obter. Adicionalmente, tolerâncias de fabricação e condições de operação não uniformes conduzem a diferentes exigências de resfriamento em cada localização na pilha de células combustíveis, exacerbando deste modo as dificuldades associadas à medição precisa.

Portanto, o sobre fornecimento de água líquida para o catodo, de tal modo que haja sempre excesso de água líquida presente no catodo em cada localização dentro da pilha, é o método preferido, uma vez que este assegura que a secagem da membrana e pontos quentes são evitados, conduzindo a desempenho e vida da pilha melhorados.

Então, em um aspecto geral, o fornecimento de excesso de água líquida ao catodo assegura que uma umidade relativa de 100% seja mantida substancialmente ao longo dos canais de fluxo de fluido no catodo.

Em um outro aspecto, a célula combustível é operada de tal modo que, para qualquer fornecimento de potência medido, a taxa de injeção de água líquida no catodo e/ou fluxo de gás através do catodo são controlados para assegurar que haja mais água líquida em todas as regiões da superfície do catodo do que possa ser evaporada na temperatura dominante e condições de pressão.

Em um outro aspecto, as condições acima são aplicadas a diversas de tais células em uma pilha de células combustíveis possuindo uma tubulação de suprimento de oxidante comum e uma tubulação de injeção de água comum de tal modo que, para cada fornecimento de potência de pilha medido, a taxa de injeção de água líquida na tubulação de injeção de água e/ou vazão de gás na tubulação de suprimento de oxidante são controladas para assegurar que haja mais água líquida em todas as regiões das superfícies do catodo de todas as células, do que possa ser evaporada na temperatura dominante e condições de pressão.

Para uma pilha prática, submetida a não uniformidades reais e sob condições de operação normais com um fator de água de menos que a unidade, será verificado que algumas partes da pilha poderíam estar recebendo menos água líquida do que a requerida para manter uma umidade relativa de 100%, substancialmente ao longo dos canais de fluxo de fluido no catodo. Correspondentemente, pode haver algumas partes da pilha que estejam recebendo mais água líquida do que a requerida para manter uma umidade relativa de 100%, substancialmente ao longo dos canais de fluxo de fluido no catodo. Portanto, em um outro aspecto da invenção, o suprimento de excesso de água líquida para a pilha é selecionado de tal modo que todas as partes da pilha recebam pelo menos a quantidade mínima de água líquida requerida para manter uma umidade relativa de 100% substancialmente ao longo dos canais de fluxo de fluido no catodo, correspondendo a um fator de água maior que a unidade para a pilha.

Figura 12 mostra esquematicamente a variação na tensão da pilha como uma função da vazão de água líquida fornecida ao catodo para uma pilha de células combustíveis típica resfriada por evaporação, operando a uma corrente constante e vazão de ar de catodo constante. A baixas vazões de água, a tensão da pilha total é reduzida, indicando que as mesmas partes da pilha podem não estar recebendo água líquida suficiente para assegurar a refrigeração adequada e/ou hidratação adequada da membrana. À medida que a vazão de água é aumentada, é alcançado um máximo na tensão de pilha (indicada no rótulo 120) de modo que a água está sendo fornecida em quantidades em excesso a todas as partes da pilha de células combustíveis. A vazões de água mais altas, a tensão da pilha é gradualmente reduzida, possivelmente como uma consequência da pressão parcial mais baixa resultante do oxigênio do fluxo de ar do catodo (sendo deslocada pela água) e/ou possivelmente como uma consequência do bloqueio de transporte de ar para ou a partir da membrana, pela presença de água líquida.

Também, a vazões mais altas, o balanço de célula (conforme indicado pela monitoração de tensão de célula) pode deteriorar, indicando um limite superior para o fator máximo de água que pode ser usado para a pilha. É também possível que a vazão de água máxima possa ser ajustada para o máximo obtenível, usando uma bomba d’água adequada.

Apesar destes efeitos limitantes, tem sido determinado que uma grande janela operacional pode ser definida, onde quantidades significativas de excesso de água podem ser fornecidas ao catodo, assegurando hidratação adequada e resfriamento de cada parte da pilha de células combustíveis. É útil descrever a quantidade de água fornecida ao catodo como um múltiplo da quantidade mínima teórica requerida para resfriamento por evaporação, isto é, um “fator de água” WF é deste modo definido, no qual: WF = mw/mw(mínimo) onde mw é a vazão de massa de água líquida fornecida, e mw(mínimo) é a vazão de massa mínima teórica de água líquida conforme calculado abaixo. A quantidade mínima teórica de água requerida para resfriamento por evaporação pode ser calculada efetuando um balanço de calor na célula combustível e supondo que: (i) a entalpia de reação é igual ao valor de aquecimento mais baixo do combustível, uma vez que a água gasosa é produzida como um produto (na ausência de excesso de água); (ii) a carga térmica na célula combustível é derivada de um valor experimental de eficiência da pilha de células combustíveis como uma função da corrente de pilha; (iii) a carga térmica é igual ao aumento de entalpia térmica dos produtos sobre os reagentes, incluindo evaporação completa da água líquida fornecida ao catodo. O fator de água real para um dado ponto de operação pode, portanto, ser definido como um múltiplo deste valor.

Será verificado que o fator de água poderia ser definido de outros modos diferentes da definição dada acima, o que poderia resultar em faixas preferidas de valores do fator de água ligeiramente diferentes, de acordo com a definição usada.

Figura 13 mostra, esquematicamente, a vazão de água líquida mínima requerida como uma função da corrente de pilha, isto é, um lugar de pontos de fator de água unitário, rotulado WF = 1. À medida que a corrente de pilha é aumentada, a quantidade de água requerida aumenta não linearmente, pois a eficiência da pilha é reduzida em correntes de pilha mais altas, conduzindo a um aumento não linear na quantidade de calor geral.

Conforme discutido, não uniformidades de pilha e o efeito destas na vazão de água para desempenho ótimo (conforme mostrado entre as linhas 121 e 122 da Figura 12), ditam que uma pilha de células combustíveis prática na qual medição separada de fornecimento de água a cada localização dentro da pilha não é possível, precisa, portanto, ser operada com um fator de água mínimo que permita uma margem para as não uniformidades. Em outras palavras, o fator de água usado precisa ser suficientemente maior que a unidade para assegurar que todas as células na pilha, e todas as partes de cada célula na pilha alcancem 100% de umidade relativa. O fator de água máximo usado é ditado por uma queda máxima aceitável no desempenho. O os limites inferior e superior preferidos do fator de água WF como unia função da corrente de pilha são mostrados esquematieamente como linhas tracejadas 130 e 131 na Figura 13.

Os limites superior e inferior 130, 131 do fator de água podem ser determinados pelo teste ou calibração da ilha de célula combustível 30 relevante, A calibração de uma pilha pode ser obtida através da variação da vazão de água para o catodo operando a corrente constante e estcquiomctria do ar constante para determinar as vazões de água mínimas indicadas pela linha 121 e as vazões de água máximas indicadas pela linha 122, Esta calibração é repetida para uma faixa de correntes de pilha possíveis (e possivelmente também para uma faixa de estequiometria do ar permissível) que corresponderá a uma faixa normal de condições de operação da pilha. Então, a calibração define os limites superior e inferior do fator de água como uma função da corrente de pilha. A expressão ‘'estequiometria do ar’ conforme usada aqui refere-se à quantidade de oxigênio fornecido à entrada 103 normalizada pela quantidade de oxigênio consumida na reação eletroquímica. Então, para uma estequiometria do ar de I, todo o oxigênio do ar é combinado com o hidrogênio para formar água. Para uma estequiometria de 2, 50% do oxigênio é consumido na célula 10 e 504¾ está presente tia exaustão do catodo 101. A quantidade de hidrogênio requerida para a reação é uma função direta da potência da pilha, eficiência da pilha e troca de energia associada à reação.

Em um ambiente de fabricação em massa, é também possível testar um número de pilhas representativas, no sentido de que o único conjunto de limites com margens de erro adequadas possa ser determinado, o qual será aceitável para todas as pilhas de uma dada configuração, Em uma realização preferida, a vazão de ar do catodo 103 é ajustada na proporção da pilha corrente, de tal modo que a pilha opera com uma estequiometria do ar de aproximadamente 2, estabelecida pelas exigências eletroquímicas. Na prática, entretanto, a vazão de ar do catodo pode ser variada de tal modo que a estequiometria do ar esteja dentro da faixa de 1,1 a 10, e, mais preferencialmente, dentro da faixa de 1,4 a 4, dependendo das exigências precisas da pilha de células combustíveis. Em correntes baixas, e daí em baixo consumo de reagentes na célula, estequiometria do ar pode ser significativamente mais alta do que estes valores, uma vez que a vazão de ar mínima é limitada pela vazão mínima de fornecimento do compressor de ar.

Em uma realização preferida, a vazão de água é ajustada para ser uma função limiar da corrente de pilha, como mostrado esquematicamente na Figura 13. O fator de água para a estratégia de controle varia em geral na faixa de 1,5 a 40, e, mais preferencialmente, na faixa de 3 a 6.

Na prática, o fator de água pode ser ajustado em qualquer ponto na faixa de 0 a 40, dependendo das condições de operação da pilha e da queda máxima aceitável no desempenho de pilha como uma consequência do excesso de água (referir-se à Figura 12). Por exemplo, se a pilha está operando em uma saída de potência baixa ou sendo iniciada a partir de condições a frio e não tenha, portanto, alcançado sua temperatura de operação máxima, a vazão de ar pode ser ajustada para zero ou um fator de água baixo para aumentar temporariamente a taxa de aquecimento da pilha. A monitoração da temperatura de exaustão do catodo pode ser usada para indicar a temperatura de operação da pilha e prover controle de realimentação para a bomba de alimentação de água. Então, em um aspecto, o sistema pode permitir temporariamente o fornecimento de uma quantidade de água líquida aos canais de fluxo de fluido dentro do catodo, de tal modo que uma umidade relativa de menos de 100% (fator de água < 1) seja mantida quando a temperatura de exaustão do catodo está abaixo de um limiar predeterminado correspondente a uma temperatura de operação sub ótima ou para um período pré-determinado em seguida à partida a frio da célula combustível.

Uma bomba de medição, controlador de fluxo ou um método de controle de pressão podem ser usados para regular a taxa de alimentação de água. A baixos níveis de potência, a quantidade de água requerida pode ser mais baixa que a vazão mínima obtenível com a bomba d’água. Portanto, a baixos níveis de potência, uma vazão de água mínima podería ser estabelecida, correspondendo ao ponto de ajuste de tensão mínimo para a bomba d’água, para evitar que a bomba entre em perda. Isto é mostrado esquematicamente na Figura 13 para valores de corrente menores que Icrit· Será verificado que a quantidade de água fornecida à pilha de células combustíveis pode, em princípio, seguir qualquer função de corrente, desde que a vazão permaneça dentro dos níveis mínimo e máximo de fator de água determinados pela calibração da pilha de células combustíveis relevantes ou um número representativo de pilhas de células combustíveis.

Uma vez que uma estratégia de controle de fator de água tenha sido definida, flexibilidade adicional mo resfriamento pode ser alcançada através do ajuste da vazão de ar do catodo e/ou pressão total de ar do catodo.

Adicionalmente, a pilha pode ser equipada com capacidade de monitoração de tensão de célula, de tal modo que a tensão operacional seja usada como um indicador de água insuficiente ou em excesso, os ajustes necessários sendo feitos em tempo real.

Um arranjo típico para implementar gerenciamento de água em uma pilha de células combustíveis é agora descrito em conexão com a Figura 14.

Um sistema de célula combustível 140 inclui uma pilha de células combustíveis 30 possuindo uma linha de entrada de combustível 102, uma linha de exaustão de anodo 100, uma linha de alimentação de ar 103, uma linha de injeção de água 104 e uma linha de exaustão de catodo 101. A linha de entrada de combustível é alimentada a partir de uma fonte de combustível 141, possivelmente via um umidificador 142 de acordo com princípios bem conhecidos. A linha de exaustão de anodo 100 pode ser alimentada diretamente ao ambiente 143, ou pode ser parcialmente reciclada de acordo com princípios conhecidos usando uma malha de controle de reciclagem 144. A linha de alimentação de ar 103 é alimentada por um compressor de ar 145. A linha de injeção de água 104 é suprida por uma bomba d’água 146. A água pode ser suprida a partir da um fornecimento de água purificada apropriada, ou reciclada a partir da exaustão do catodo por meio de um condensador adequado (não mostrado). A linha de exaustão de catodo 101 pode ser direcionada ao ambiente, e, preferencialmente, inclui um sensor de exaustão 147 que sente pelo menos a temperatura de exaustão. A exaustão de catodo pode incluir uma bomba 148 para reduzir e/ou controlar a pressão de exaustão de catodo. A bomba 148 pode ser em adição ou no lugar de um suprimento de ar bombeado pelo compressor 145, isto é, o suprimento de ar podería de outro modo ser à pressão ambiente.

Um controlador 150 também está incluído no sistema de célula combustível 140, que de preferência recebe entradas de sensor correspondendo à tensão de pilha 151, corrente de pilha 152 e temperatura de exaustão 153. O controlador 150 é também acoplado ao compressor de ar 145 e ainda à bomba de injeção de água 146, por meio de linhas de controle adequadas. O controlador 150 pode ser configurado para operar de dois modos possíveis.

Em um primeiro modo, o controlador 150 pode ser adaptado para obter dados de calibração para operação subsequente da pilha de células combustíveis 30. Em um modo de calibração, o controlador 150 varia o fluxo de água suprido pela bomba de injeção de água 146 sob condições de pressão de ar de entrada constante e drenagem de corrente constante a partir da pilha de células combustíveis, e recebe níveis de tensão detectados da pilha para, deste modo, determinar os fatores de água máximo e mínimo apropriados 121, 122 (Figura 12). Estes valores são armazenados na tabela de calibração 154. A calibração pode ser repetida para uma ou mais de diferentes cargas de corrente, diferentes pressões de ar de entrada, diferentes estequiometrias de ar, para compilar um conjunto compreensivo de dados de controle adequados para controlar a taxa de injeção de água para uma faixa de condições de operação de célula combustível.

Em um segundo modo, o controlador 150 é adaptado para usar os dados de calibração armazenados na tabela de calibração 154, no sentido de manter condições de execução ótima da pilha de células combustíveis. Por exemplo, o controlador 150 é adaptado para monitorar tensão e corrente de pilha, e para controlar a bomba de injeção de água 146 (e possivelmente também o compressor de ar de entrada) para manter um fator de água apropriado para desempenho ótimo da célula combustível. Em arranjos preferidos, tal fator de água cai na faixa de 1,5 a 40 e, mais preferencialmente, na faixa de 3 a 6.

Conforme descrito previamente, o controlador pode também monitorar a temperatura de exaustão de catodo por meio do sensor 147, e fornecer uma menor quantidade de água quando a temperatura de exaustão de catodo está abaixo de um limiar pré-determinado correspondente a uma temperatura de operação sub ótima, por exemplo, durante a partida da célula combustível. Em um outro exemplo, esta fase de “aquecimento” poderia ser controlada por um temporizador ao invés da temperatura de exaustão.

Na realização típica da Figura 14, o controlador é adaptado para efetuar tanto a calibração inicial da pilha de células combustíveis quanto a manutenção de condições de execução ótimas. Será reconhecido, entretanto, que para tipos de célula combustível conhecidos ou sistemas pré calibrados, a tabela de calibração 154 poderia ser pré-carregada com dados de operação para uso pelo controlador de gerenciamento de água 150.

Embora a realização típica da Figura 14 mostre controle “global” da pilha de células combustíveis 30 pelo controlador 150, será entendido que um controle mais fino poderia ser obtido onde o fornecimento de água a diferentes células ou a diferentes grupos de células fosse possível. Por exemplo, onde há pontos de fornecimento de água múltiplos, controlados independentemente para a pilha de células combustíveis, o sensoriamento de tensão e corrente separadas pode ser efetuado para variar localmente o fornecimento de água a cada parte da pilha de células combustíveis.

Um número de mecanismos é possível para fornecer água líquida em quantidades controladas precisamente a canais de fluxo de fluido nas placas de campo de fluxo de fluido de catodo. Mecanismos típicos são descritos em PCT/GB03/02973 (não publicado no momento de depósito deste pedido), detalhes do qual são descritos posteriormente com referência às Figuras 4 a 9.

Com referência às Figuras 4(a) e 4(b), a presente invenção provê uma série de condutos de injeção de água estendendo-se entre uma tubulação de orifício de admissão de água 25 e os canais individuais 16 de uma placa de campo de fluxo de fluido 40a ou 40b. Falando em geral, os condutos de injeção de água são providos por meio de uma membrana ou estrutura laminada que repousa na superfície da placa de campo de fluxo de fluido 40. Os condutos de injeção de água são providos de orifícios de admissão comunicando-se com a tubulação de orifício de admissão de água 25 e orifícios de saída que definem pontos de injeção de água predeterminados através dos canais 16 na placa de campo de fluxo de fluido.

Em um arranjo preferido, a estrutura laminada é provida na forma de duas camadas de lâmina 41, 42 superpostas à placa 40, cuja posição das lâminas é mostrada em linhas tracejadas externas nas Figuras 4(a) e 4(b).

Figura 4(a) ilustra uma vista plana de uma placa de campo de fluxo de fluido 40a com o canal de serpentina 16, com lâminas 41a, 42a possuindo primeiras extremidades 43a, 44a coincidentes com a tubulação de orifício de admissão de água 25 e segundas extremidades 45a, 46a localizadas ou adjacentes a pontos de injeção de água pré-determinados 49 dos canais 16.

Figura 4(b) ilustra uma vista plana de uma placa de campo de fluxo de fluido 40b com dois canais em pente interdigitados 47, 48, cada um se comunicando com uma respectiva tubulação 21, 22 e lâminas 41b, 42b possuindo primeiras extremidades 43b, 44b coincidentes com a tubulação de orifício de admissão de água 25 e segundas extremidades 45b, 46b localizadas nos ou adjacentes aos pontos de injeção de água pré-determinados do canal 47. Será notado que as lâminas podem ser repetidas na extremidade oposta da placa 40b, entre uma segunda tubulação de orifício de admissão de água 25 e pontos de injeção de água pré-determinados no canal 48.

Figura 5 mostra uma vista plana detalhada do projeto da lâmina de distribuição de água 41, ilustrando os caminhos preferidos dos condutos de injeção de água 50. Os condutos 50 são formados por uma primeira série de canais 51 que se estende da primeira extremidade 43 da lâmina 41 localizada na tubulação de orifício de admissão de água 25, até uma galeria ou plenum de distribuição de pressão 52 que se estende ao longo da extensão da lâmina de injeção de água 41. A galeria de distribuição de pressão 52 se comunica com uma segunda série de canais 53 que se estende até a segunda extremidade 45 da lâmina, para comunicação com os canais 16 na placa de campo de fluxo de fluido. Para esta finalidade, a segunda série de canais 53 é agrupada para terminar nas respectivas estruturas de convergência 54 na segunda extremidade 45 da lâmina de injeção de água 41.

Na realização preferida conforme ilustrado, as estruturas de convergência 54 compreendem recessos curvos 55, cortados na segunda extremidade 45 da lâmina 41, nos pontos de injeção de água 49 adaptados para serem coincidentes com posições pré-determinadas ao longo dos canais 16, mostrados em linhas externas na figura.

Aquela galeria de distribuição de pressão 52 compreende, de preferência, um arranjo de canais de intercomunicação 56 que defletem a água de entrada a partir da primeira série de canais 51 e efetivamente a distribuem ao longo da extensão total da lâmina 41, de tal modo que cada grupo da segunda série de canais 53 recebe água em uma pressão substancial mente similar.

Referindo-se de volta às Figuras 4(a) e 4(b), a lâmina de cobertura 42 compreende uma lâmina não configurada (isto é, sem canais) de forma periférica substancial mente similar à lâmina inferior, A lâmina de cobertura 42 se estende além. da extremidade da lâmina de distribuição 41, pelo menos nas extremidades da segunda série de canais, para assegurar que a água seja direcionada para baixo, na placa de campo de fluxo desejada do canal 16. Mais convenientemente, esta superposição é obtida pelos recessos 55 formados na lâmina de distribuição 41, mas nao na lâmina de cobertura 42. Então, conforme melhor visto no diagrama de seção transversal da Figura 6, de forma exagerada, a lamina de cobertura 42 forma um fechamento superior para os canais 51, 52 e 53, para formar os condutos de injeção de água 50, deixando abertas as extremidades dos canais 51 e 53. Na realização mostrada, a lâmina de cobertura 42 pode ser formada ligeiramente maior que a lâmina de distribuição 41, de tal modo que superponha a segunda extremidade 45 (e possivelmente a primeira extremidade 43) para obter um efeito similar. É notado que as camadas de lâmina são muito finas comparadas com a espessura da placa 40, a espessura das camadas de lâmina sendo facilmente absorvidas pelo MEA 34 e quaisquer gaxetas interpostas entre as placas. Os componentes na Figura 6 são mostrados ligeiramente separados para clareza, embora sejam, naturalmente comprimidos juntos.

Figura 7 mostra um diagrama em perspectiva da lâmina de distribuição 41 na posição sobre a placa de campo de fluxo de fluido 40, mostrando alinhamento dos vários canais e tubulações.

Será reconhecido que os canais de distribuição de água 51, 52, 53 nao precisam ser formados na lâmina inferior 41. Em uma outra realização. mostrada na Figura 8, os canais de distribuição de água 80 são formados na superfície inferior da lâmina superior 82, enquanto a lâmina inferior 81 serve para formar o fechamento dos canais 80, para formar os condutos de injeção de água. Em outras palavras, a lâmina de distribuição 82 e a lâmina de cobertura 81 são invertidas, comparadas ao arranjo da Figura 6.

No arranjo da Figura 8, pelo menos a segunda série de canais (comparar canais 53 na Figura 5) não se estenderá à direita para a segunda extremidade 83 da lâmina superior, mas terminará em posições próximas à segunda extremidade. A lâmina inferior (cobertura) 81 se estenderá quase até o final dos canais 80, mas parará, de preferência, ligeiramente próximo desta no sentido de que haja comunicação de fluido da extremidade do canal 80 para o canal de placa 16, nos pontos de injeção de água 49.

Conforme indicado acima, a lâmina inferior (cobertura) 81 provê um fechamento para os canais 80, formando uma barreira evitando que a água escape nos canais inferiores 16 na placa de campo de fluxo de fluido 40 nos lugares errados, por exemplo, onde os condutos de injeção de água atravessam os canais de combustível e/ou oxidante 16 (por exemplo, na localização 85).

Preferencialmente, as lâminas conforme descritas acima são formadas de um metal, tal como de um ácido inoxidável. Entretanto, qualquer material adequado tendo propriedades de contenção de água pressurizada apropriadas podería ser usado, e a expressão “lâmina” usada através da presente especificação deve ser considerada de acordo. Preferencialmente, as lâminas são eletricamente condutoras, mas não precisam ser, uma vez que não invadem a área ativa do MEA.

Em uma realização preferida, os canais de fluxo de fluido 16 no anodo ou placas de catodo 40 são tipicamente entre 0,4 mm e 1,2 mm de largura e profundidade. É verificado que uma largura de canal e profundidade de 10 microns, quimicamente depositada sobre a lâmina de distribuição de água, serve para prover o grau necessário de injeção de água.

Em uso, a pressão de água sendo fornecida via tubulação de orifício de admissão de água 25 é controlada para assegurar uma diferença de pressão significativa entre o suprimento de água e a pressão de gás nos canais de fluxo de fluido 16, alcançando uma distribuição igual de água entre os milhares de caminhos de fluxo. Na realização preferida, a água é fornecida na tubulação a uma pressão de medidor na faixa de 0,5-3 bar de H2O.

Uma vantagem desta abordagem é que a membrana de distribuição de água é extremamente fina e pode ser facilmente localizada dentro do espaço disponível dentro de placas bipolares ou na área de gaxeta. A precisão volumétrica de fornecimento de água pode também ser precisamente controlada por um projeto adequado da configuração do conduto de injeção de água e dimensões de canal.

Conforme ilustrado na Figura 9, a água que é fornecida em canais interdigitados 90 na placa de campo de fluxo de fluido 40 pode ser introduzida no ponto de entrada 91 para o canal, após o canal alimentador 92, ou altemativamente na trilha de saída 93 em um ponto de injeção 94 na mesma extremidade da placa bipolar que a tubulação de alimentação.

Uma vantagem da injeção de água nas trilhas de saída é uma redução na queda de pressão nos fluxos de gás reagentes. Isto é porque a água não passa através do meio de difusão causando o mascaramento do espaço vago para a passagem de gás. Similarmente, a eliminação do fluxo de água através do meio de difusão reduzirá também o atrito do meio e sua fragmentação gradual e deterioração estrutural. O processo de resfriamento por evaporação efetivo nas trilhas de saída e conteúdo de água da membrana é mantido devido à saturação do ar com vapor d’água.

Outras realizações estão intencionalmente dentro do escopo das reivindicações anexas.

Claims (22)

1. Método para operar uma pilha de células combustíveis eletroquímicas compreendendo diversas células, cada uma possuindo um anodo, uma membrana de transferência de íon e um catodo, caracterizado pelo feto de que compreende as etapas de: fornecer combustível fluido a canais de fluxo de fluido dentro dos anodos: fornecer oxidante fluido a canais de fluxo de fluido dentro dos catodos; exaurir sub-produtos de reação e qualquer oxidante inutilizado a partir dos canais de fluxo de fluído dentro dos catodos; determinar um máximo em tensão de pilha, ou em tensão de cada célula, corno uma função de vazão de água líquida para cada uma das diversas correntes de pilha ou célula que correspondem a uma faixa normal de condições de operação da pilha ou célula; determinar urna função de calíbração expressando vazão de água líquida mínima como unia função da corrente e/ou estequiometria do ar: e fornecer pelo menos a dita vazão de água líquida mínima, para a corrente drenada da dita pilha ou cada célula e/ou para a estequiometria do ar, conforme determinada pela função de calíbração, aos canais de fluxo de fluido dentro dos catodos, de forma que uma umidade relativa de 100% seja mantida ao longo dos canais de fluxo de fluído,

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por incluir ainda a etapa de elevar a quantidade de água líquida fornecida como uma função da corrente da célula ou pilha para manter um fator de água WF > 1,0 para todas as correntes em uma faixa de operação normal da célula ou pilha.

3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo feto de que a função de calíbração é determinada para estequiometria do ar na faixa de 1,1 a 10.

4. Método de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a função de calibração é determinada para estequiometria do ar na faixa de 1,4 a 4,0.

5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a etapa de fornecer uma quantidade suficiente de água líquida compreende fornecimento de um fator de água de pelo menos 1,5.

6. Método de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que aquela etapa de fornecer uma quantidade suficiente de água líquida compreende fornecimento de um fator de água de pelo menos 3.

7. Método de acordo com a reivindicação 5 ou 6, caracterizado pelo fato de que a etapa de fornecer uma quantidade suficiente de água líquida compreende fornecimento de um fator de água de menos de 40.

8. Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que aquela etapa de fornecer uma quantidade suficiente de água líquida compreende fornecimento de um fator de água na faixa de 3 a 6.

9. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que inclui ainda a etapa de permitir temporariamente fornecimento de uma quantidade de água líquida aos canais de fluxo de fluido dentro dos catodos, de tal modo que uma umidade relativa de menos de 100% seja mantida quando a temperatura de exaustão do catodo estiver abaixo de um limiar predeterminado correspondente a uma temperatura de operação sub ótima.

10. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por ser aplicado na partida da célula combustível ou pilha de células combustíveis.

11. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a célula combustível é operada de tal maneira que, para qualquer fornecimento de potência de célula medido, taxa de injeção de água líquida no catodo e / ou fluxo de gás através do catodo sejam controlados para assegurar que haja mais água líquida em todas as regiões da superfície do catodo do que possa ser evaporada nas condições de temperatura e pressão dominantes.

12, Método de acordo com. a reivindicação 11, caracterizado por ser aplicado a diversas células numa pilha de células combustíveis possuindo lima tubulação de suprimento de oxidante comum e uma tubulação de injeção de água comum de tal maneira que, para qualquer fornecimento de potência de pilha medido, taxa de injeção de água líquida na tubulação de injeção de água e / ou vazão de gãs na tubulação de suprimento de oxidante sejam controladas para assegurar que haja mais água líquida em todas as regiões das superfícies dos catodos de todas as células do que possa ser evaporada nas condições de temperatura e pressão dominantes.

13, Conjunto de células combustíveis eletroquímicas, conjunto este compreendendo uma pilha de células combustíveis tendo diversas células, cada célula possuindo uma placa de campo de fluxo de fluido de anodo que tem canais de fluxo de fluido nela, uma membrana de transferência de íon, e uma placa de campo de fluxo de fluido de catodo que tem canais de fluxo de fluído nela, o mencionado conjunto sendo caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: meios para fornecer combustível fluido aos canais de fluxo de fluido de anodo; meios para fornecer oxidante fluido aos canais de fluxo de fluído de catodo; um mecanismo de injeção de água para fornecer água líquida aos canais de fluxo de fluido dentro do catodo; meios para determinar um máximo em tensão de pilha, ou em tensão de cada célula, como uma função de vazão de água líquida para cada uma das diversas correntes de pilha ou célula que correspondem a uma faixa normal de condições de operação da pilha ou célula; meios para determinar uma função de calibração que expressa a vazão de água líquida mínima como uma função da corrente e/ou estequiometria do ar; e um controlador adaptado para controlar o mecanismo de injeção de água para fornecer pelo menos aquela vazão de água líquida mínima, para a corrente drenada daquela pilha ou cada célula e/ou para a estequiometria do ar, conforme determinada pela função de calibração, de maneira que uma umidade relativa de 100% seja mantida ao longo dos canais de fluxo de fluido, durante condições de operação normal da pilha de células combustíveis.

14. Conjunto de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o mecanismo de injeção de água compreende uma bomba e um controlador.

15. Conjunto de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o controlador inclui um sensor de tensão para detectar tensão da célula combustível ou da pilha de células combustíveis.

16. Conjunto de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o controlador inclui adicionalmente meios para determinar um máximo em tensão de célula, como uma função da vazão de água líquida, para cada uma de diversas correntes de operação normal de célula ou pilha de células.

17. Conjunto de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que inclui adicionalmente um sensor de corrente para detectar fluxo de corrente através da célula combustível, ou da pilha de células combustíveis, e, meios para controlar a taxa de injeção de água para manter fornecimento de um fator de água WF >1,0 para todas as ditas correntes de célula combustível ou pilha de células combustíveis no interior da mencionada faixa de operação normal.

18. Conjunto de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de incluir meios adaptados para controlar a taxa de injeção de água para manter fornecimento de um fator de água de pelo menos 1,5.

19. Conjunto de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de incluir meios adaptados para controlar a taxa de injeção de água para manter fornecimento de um fator de água de menos de 40.

20. Conjunto de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de incluir meios adaptados para controlar a taxa de injeção de água para manter fornecimento de um fator de água de pelo menos 3.

21. Conjunto de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de incluir meios adaptados para controlar a taxa de injeção de água para manter fornecimento de um fator de água na faixa de 3 a 6.

22. Conjunto de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 21, caracterizado pelo fato de que inclui adicionalmente meios para permitir temporariamente fornecimento de uma quantidade de água líquida aos canais de fluxo de fluido dentro do catodo, de tal maneira que uma umidade relativa de menos de 100% seja mantida quando a temperatura de exaustão do catodo estiver abaixo de um limiar predeterminado correspondente a uma temperatura de operação sub ótima.