BRPI0509680B1 - célula de combustível, e, pilha de célula de combustível - Google Patents

Abstract

célula de combustível, e, pilha de célula de combustível uma célula de combustível incluindo uma montagem de membrana-eletrodo tendo uma face de eletrodo de anodo; uma placa de anodo adjacente a dita face de eletrodo de montagem de membrana-eletrodo e acoplada a ela por uma gaxeta de vedação. a gaxeta de vedação, face de eletrodo e placa de anodo juntas definem um volume de contenção de fluido para entrega de fluido de anodo à face de eletrodo. uma folha de material de difusor poroso está situada no volume de contenção de fluido e tendo pelo menos um espaço definido entre pelo menos uma borda lateral da folha de material de difusor e a gaxeta de vedação. fluido para entrega a uma superfície ativa da montagem de membrana-eletrodo pode ser entregue pelo espaço e por difusão pelo material de difusor a uma tal extensão que canais de fluxo de fluido na placa de anodo não são requeridos.

Description

“CÉLULA DE COMBUSTÍVEL, E, PILHA DE CÉLULA DE COMBUSTÍVEL” A presente invenção relaciona a células de combustível, e em particular a métodos e aparelho para entrega de fluido à superfície ativa de placas de anodo e/ou cátodo em, por exemplo, células de combustível de eletrólito de polímero sólido. Células de combustível eletroquímicas convencionais convertem combustível e oxidante em energia elétrica e um produto de reação. Uma disposição típica de uma célula de combustível convencional 10 é mostrada na Figura 1, que, para clareza, ilustra as várias camadas em forma explodida. Uma membrana de transferência de íons de polímero sólido 11 está intercalada entre um anodo 12 e um cátodo 13. Tipicamente, o anodo 12 e o cátodo 13 são ambos formados de um material poroso eletricamente condutivo, tal como carbono poroso, ao qual partículas pequenas de platina e/ou outro catalisador de metal precioso são unidas. O anodo 12 e cátodo 13 são freqüentemente unidos diretamente às superfícies adjacentes respectivas da membrana 11. Esta combinação é comumente chamada a montagem de membrana-eletrodo, ou MEA.

Intercalando a membrana de polímero e camadas de eletrodo porosas está uma placa de campo de fluxo de fluido de anodo 14 e uma placa de campo de fluxo de fluido de cátodo 15. Camadas de suporte intermediárias 12a e 13a também podem ser empregadas entre a placa de campo de fluxo de fluido de anodo 14 e o anodo 12 e semelhantemente entre a placa de campo de fluxo de fluido de cátodo 15 e o cátodo 13. As camadas de suporte são de uma natureza porosa e fabricadas assim para assegurar difusão efetiva de gás para e das superfícies de anodo e cátodo como também ajudar na administração de vapor d'água e água líquida.

As placas de campo de fluxo de fluido 14,15 são formadas de um material não poroso eletricamente condutivo, pelo qual contato elétrico pode ser feito ao respectivo eletrodo de anodo 12 ou eletrodo de cátodo 13. Ao mesmo tempo, as placas de campo de fluxo de fluido facilitam a entrega e/ou exaustão de combustível fluido, oxidante e/ou produto de reação para ou dos eletrodos porosos 12, 13. Isto é efetuado convencionalmente formando passagens de fluxo de fluido em uma superfície das placas de campo de fluxo fluido, tais como sulcos 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 fluido provê uma estrutura de serpentina 20 em uma face do anodo 14 (ou cátodo 15) tendo um coletor de entrada 21 e um coletor de saída 22 como mostrado na Figura 2(a). De acordo com projeto convencional, será entendido que a estrutura de serpentina 20 inclui um canal 16 na superfície da placa 14 (ou 15), enquanto os coletores 21 e 22, cada um inclui uma abertura pela placa de forma que fluido para entrega, ou exaustão do canal 20 possa ser comunicado ao longo da profundidade de uma pilha de placas em um direção ortogonal à placa como particularmente indicado pela seta na seção transversal em A-A mostrada na Figura 2(b).

Outras aberturas de coletor 23, 25 podem ser providas para combustível, oxidante, outros fluidos ou comunicação de exaustão a outros canais nas placas, não mostradas. Várias configurações de canais 16 nas placas de campo de fluxo de fluido 14, 15 são conhecidas. Uma configuração é o padrão de serpentina terminado aberto da Figura 2, onde os canais se estendem entre uma coletor de entrada 21 e um coletor de saída 22 permitindo um processamento contínuo de fluido, tipicamente usado para uma provisão de oxidante e exaustão de reagente combinada. Em outra configuração, os canais 16 podem ser fechados a uma extremidade, isto é, cada canal tem comunicação com só um coletor de entrada 21 para prover fluido, se confiando completamente em 100% de transferência de material gasoso dentro e fora dos eletrodos porosos da MEA. O canal fechado tipicamente pode ser usado para entregar combustível de hidrogênio à MEA 11-13 em uma estrutura do tipo de pente.

Com referência à Figura 3, em montagens de célula de combustível convencionais 30, pilhas de placas são construídas. Neste arranjo, placas de campo de fluxo de fluido de anodo e cátodo adjacentes são combinadas de maneira convencional para formar um única placa bipolar 31 tendo canais de anodo 32 em uma face e canais de cátodo 33 na face oposta, cada uma adjacente a uma montagem de membrana-eletrodo respectiva (MEA) 34. As aberturas de coletor de entrada 21 e aberturas de coletor de saída são todas cobertas para prover os coletores de entrada e saída à pilha inteira. Os vários elementos da pilha são mostrados separados ligeiramente para clareza, embora será entendido que eles serão comprimidos juntos usando gaxetas de vedação, se requerido. A formação de canais ou condutos de fluxo de fluido 16 nas placas de campo de fluxo de fluido é um procedimento exato, tipicamente executado usando um processo de gravura química ou outro processo de alta definição a fim de que um grau adequado de controle através da profundidade, largura e padrão dos canais 16 possa ser alcançado, enquanto formando placas de campo de fluxo de fluido tão finas quanto possível. Qualquer inconsistência no processo de gravura química resultando em variações em profundidade, largura e padrão da placa de fluxo fluido pode interromper severamente o fluxo de fluido para e da MEA.

Por exemplo, a queda de pressão entre o orifício de entrada 21 orifício de saída 22 pode variar significativamente de placa para placa e portanto de célula para célula dentro de uma montagem de célula de combustível. Executar pobremente células pode resultar em operações de purgação de anodo mais freqüentes durante operação de uma célula, ou pode requerer técnicas de calibração de célula especiais que são demoradas e caras.

Executar pobremente células limita o desempenho global de uma pilha de célula de combustível que é geralmente fortemente influenciada pela célula mais fraca. E um objetivo da presente invenção minimizar problemas associados com a formação de canais de fluxo de fluido em uma placa de fluxo de fluido e/ou problemas surgindo de variações em desempenho de tais canais de fluxo de fluido de célula para célula. É um objetivo adicional da invenção aumentar o fator de densidade de potência de uma pilha de célula de combustível reduzindo a espessura da placa de campo de anodo sem comprometer significativamente saída de potência.

De acordo com um aspecto, a presente invenção provê uma célula de combustível incluindo: uma montagem de membrana-eletrodo tendo uma face de eletrodo de anodo; um placa de anodo adjacente a dita face de eletrodo de montagem de membrana-eletrodo e acoplada a ela por uma gaxeta de vedação; a gaxeta de vedação, face de eletrodo e placa de anodo juntas definindo um volume de contenção de fluido para entrega de fluido de anodo à face de eletrodo; e uma folha de material de difusor poroso situada no volume de contenção de fluido e tendo pelo menos um espaço definido entre pelo menos uma borda lateral da folha de material de difusor e a gaxeta de vedação.

De acordo com outro aspecto, a presente invenção provê uma célula de combustível incluindo: uma montagem de membrana-eletrodo tendo uma face de eletrodo de cátodo; uma placa de cátodo adjacente a dita face de eletrodo de montagem de membrana-eletrodo e acoplada a ela por uma gaxeta de vedação; a gaxeta de vedação, face de eletrodo e placa de eatodo juntas definindo um volume de contenção de fluido para entrega de fluido de cátodo para e/ou exaustão de fluido de cátodo da face de eletrodo; e uma folha de material de difusor poroso situada no volume de contenção de fluido e tendo pelo menos um espaço definido entre pelo menos uma borda lateral da folha de material de difusor e a gaxeta de vedação.

Concretizações da presente invenção serão descritas agora por meio de exemplo e com referência aos desenhos acompanhantes, em que: Figura 1 mostra uma vista seção transversal esquemática por uma parte de uma célula de combustível convencional;

Figuras 2(a) e 2(b) mostram respectivamente uma vista de cima e secional simplificadas de uma placa de campo de fluxo de fluido da célula de combustível da Figura 1;

Figura 3 mostra uma vista de seção transversal por uma pilha de célula de combustível convencional com placas bipolares;

Figura 4a mostra uma vista de cima de uma configuração de anodo tendo uma folha de material de difusor posicionada com respeito a uma gaxeta de vedação e orifícios de entrada e saída de fluido, e Figura 4b mostra a vista lateral secional correspondente em linha A-A;

Figura 5 mostra uma vista de cima da configuração de anodo da Figura 4 mostrando fluxos de gás durante ambas operação regular (Figura 5a) e purgação de anodo (Figura 5b);

Figura 6 mostra vários padrões alternativos de espaço definido entre bordas laterais de uma folha de material de difusor e gaxeta de vedação periférica;

Figura 7 mostra uma configuração de anodo incluindo múltiplas meias-células co-planares compartilhando uma placa de anodo comum; e Figura 8 mostra um padrão alternativo de espaço definido entre bordas laterais de uma folha de material de difusor e gaxeta de vedação periférica.

Os projetos convencionais de placas de fluxo de fluido de anodo e cátodo incorporando canais de fluxo de fluido nas faces deles já foram discutidos com relação às Figuras 1 a 3. Estes canais de fluxo de fluido geralmente se estendem através de uma proporção significante da superfície das placas e são usados a fim de assegurar transporte suficiente de fluidos de anodo e cátodo às superfícies ativas da MEA. Como também mostrado na Figura 1, um material de difusor poroso 12a, 13a está incorporado em uma célula de combustível convencional para ajudar a transferência dos canais 16 à MEA 11 permitindo difusão de plano cruzado significativa (isto é, normal ou transversal ao plano do difusor) e uma pequena quantidade de difusão em plano (isto é, paralela ao plano do difusor) assim para permitir difusão de fluido de anodo fora de cada canal 16 individual. Deste modo, bom transporte de fluido de anodo é efetuado para e da superfície de anodo ativa inteira da MEA, e bom transporte de fluido de cátodo é efetuado para e da superfície de cátodo ativa inteira da MEA. A presente invenção reconheceu que certos tipos de materiais de difusor porosos podem ser usados junto com um diferencial de pressão entre orifícios de entrada e saída para assegurar transporte de fluido em plano suficiente dentro do difusor, esse transporte de fluido à superfície inteira da membrana é possível sem o uso de canais de fluxo de fluido na placa de anodo.

Se referindo à Figura 4, uma face de anodo de uma montagem de membrana-eletrodo 40 é coberta com uma gaxeta de vedação 41 ao redor de seu perímetro. A gaxeta de vedação 41 inclui dois rebaixos 42,43 ao redor de um orifício de entrada de fluido 44 e um orifício de saída de fluido 45 a uma periferia da face de anodo da MEA 40. Uma placa de anodo eletricamente condutiva 46 cobre a gaxeta de vedação (mostrada em esboço tracejado na Figura 4b e ligeiramente separada para clareza, mas omitida na Figura 4a para revelar as estruturas abaixo). A face de anodo da MEA 40, a gaxeta de vedação 41 e a placa de anodo 46 juntas definem um volume de contenção de fluido 47 entre o orifício de entrada de fluido 44 e o orifício de saída de fluido 45.0 volume de contenção de fluido é efetuado pela impermeabilidade da placa de anodo 46 e gaxeta de vedação 41 junto com permeabilidade limitada da MEA (isto é, substancialmente só permitindo fluxo de íons). Dentro deste volume de contenção 47 é posta uma folha de material de difusor 48. A folha de material de difusor é cortada a uma forma que resulta na formação de um ou mais espaços 49,50 definidos entre uma borda lateral 51,52 da folha 48 e a gaxeta de vedação 41. Mais particularmente, na concretização da Figura 4, o primeiro espaço 49 constitui um espaço de entrada que se estende ao redor de uma porção principal da borda lateral periférica 51 da folha 48 de material de difusor (isto é, mais de três lados). O segundo espaço 50 constitui um espaço de saída que se estende ao redor de uma porção secundária da borda lateral periférica 52 da folha 48 de material de difusor. A placa de anodo 46 é preferivelmente destituída de quaisquer sulcos ou canais 16 em sua superfície 52 enfrentando o eletrodo 40 e folha de difusor 48, desde que transporte de fluido pode ser efetuado completamente por meio dos espaços 49, 50 e do próprio material de difusor 48. Isto está ilustrado em mais detalhes com referência à Figura 5.

Figura 5a ilustra padrões de fluxo de fluido durante operação regular da célula de combustível. Fluidos de entrada chegando sob pressão de orifício de entrada 44 são distribuídos ao longo do espaço de entrada 49 e no corpo da folha de difusor porosa 48 (e a MEA subjacente 40) como indicado pelas setas. Neste modo de operação regular, o espaço de saída 50 não precisa participar (embora possa fazê-lo), desde que a função essencial é entregar combustível fluido à superfície ativa da face de anodo da MEA 40. Preferivelmente, isto é alcançado tal que provisão de combustível adequada alcance todas as partes ativas da face de anodo da MEA 40 assim para manter a entrega de potência requerida da célula sem causar pontos quentes localizados. Porém, isto não impede a possibilidade que alguma pequena proporção de combustível ou algum subproduto poderia ser purgado ao espaço de saída 50 e assim ao orifício de saída 45 durante operação regular da célula de combustível.

Figura 5b ilustra padrões de fluxo de fluido durante operação de purgação da célula de combustível. Fluidos de entrada chegando sob pressão de orifício de entrada 44 são distribuídos ao longo do espaço de entrada 49 e pelo corpo da folha de difusor porosa 48 (e o eletrodo subjacente 40) ao espaço de saída 50 e assim ao orifício de saída 45, como indicado pelas setas. Como será entendido por aqueles familiares com a operação de célula de combustível, troca regular de uma célula de combustível para um modo de purgação quando desempenho da célula de combustível cai (por exemplo, por causa de formação de água no eletrodo) é freqüentemente usada como parte de uma estratégia de administração de sistema. É achado que a 'vedação parcial' 53 formada entre a borda lateral da folha de difusor 48 e a borda de gaxeta 41, onde o espaço não é formado, é adequada para prevenir vazamento sígnificante de fluido diretamente ao redor do material de difusor de espaço de entrada 49 para espaço de saída 50. Por preferência, a Vedação parcial' é alcançada efetuando um encaixe íntimo ou encaixe de interferência entre a borda da folha de difusor 48 e a borda correspondente da gaxeta 41. Alguma compressão do material de difusor durante montagem de pilha pode ajudar em formação desta vedação parcial, A configuração de folha de difusor 48 e gaxeta de vedação 41 como mostrado nas Figuras 4 e 5 é apenas uma alternativa. Figura 6 mostra numerosos outros possíveis arranjos que alcançam um objetivo semelhante, ambas em vista de perspectiva 'explodida' (figuras laterais esquerdas) e em vista de cima (figuras laterais direitas).

Figura 6a ilustra o padrão da Figura 4 para propósitos de comparação. Figura 6b ilustra um padrão semelhante de espaço de entrada 61 e espaço de saída 62, mas neste arranjo, a gaxeta de vedação 41 é formada para criar os espaços 61, 62 em lugar da folha de difusor 48 sendo formada para criar os espaços. Isto facilita o uso de folhas retangulares ou quadradas de material de difusor em lugar de folhas irregulares 48 de material de difusor.

Figura 6c ilustra um arranjo simétrico de espaço de entrada 63 e espaço de saída 64, novamente se confiando em formação da gaxeta de vedação 41 em lugar da folha de difusor 48, de forma que folhas de difusor retangulares ou quadradas possam ser usadas. Nesta configuração, espaço de entrada 63 e espaço de saída 64 são equilibrados, tendo comprimentos substancialmente iguais e fluxo de fluido em plano pelo meio de difusor é geralmente de uma extremidade para a outra.

Figura 6d ilustra um arranjo semelhante àquele da Figura 6b, mas com o espaço de entrada (principal) 65 se estendendo só ao longo de duas bordas laterais da folha de difusor 48 e um espaço de saída 66 ligeiramente maior do que aquele da Figura 6b. Neste arranjo, o fluxo de fluido em plano é um pouco mais diagonal e homogêneo.

Figura 6e ilustra um arranjo no qual um espaço de saída separado não é requerido. Só um único espaço circunferencial ou periférico 67 é provido cercando inteiramente a folha de difusor 48. Purgação do espaço 67 ainda é possível usando o orifício de saída 45. Purgação do difusor 48 e eletrodo 40 só seria possível a uma extensão menor, se confiando em difusão no espaço 67 em lugar de difusão forçada por diferencial de pressão significativo pelo difusor. Este arranjo tem aplicação particular onde purgação de anodo não é normalmente requerida.

Assim, em um sentido geral, será entendido que a folha de material de difusor poroso pode ter uma forma irregular (não retangular) incluindo rebaixos em seu perímetro por esse meio para formar o pelo menos um espaço. Altemativamente, a folha de material de difusor poroso pode ter um perímetro retangular e a gaxeta de vedação tem uma forma irregular (não retangular) incluindo rebaixos em seu perímetro interno por esse meio para formar o pelo menos um espaço.

Figura 7 ilustra um arranjo no qual células de combustível co-planares são formadas usando uma única placa de anodo comum (não mostrada) e um único eletrodo comum 70. Neste arranjo, a gaxeta de vedação 71 é configurada para formar três volumes de contenção de fluido 72,73,74, separados, cada um com sua própria folha respectiva de material de difusor 75,76,77. A configuração de folha de difusor e gaxeta de vedação usada para definir os espaços pode ser variada, por exemplo, como discutido em relação à Figura 6.

Este arranjo compartimenta cada meia-célula de anodo na pilha de célula de combustível em alimentação de fluido separada e áreas de purgação que podem dispor um maior grau de uniformidade de fluxos de gás por grandes áreas de anodo. Em particular, os efeitos de qualquer restrição na taxa de difusão de fluido pela face de eletrodo entre espaços de entrada e saída são minimizados limitando a área das folhas de difusor 75,76, 77 deste modo.

Figura 8 ilustra um arranjo no qual o espaço 80 pode ser definido não apenas entre uma borda lateral 81 da folha de difusor 48, mas também por meio de uma fenda 82 cortada pelo corpo da folha de difusor e se estendendo em uma área central da folha de difusor. Figura 8 também ilustra que dois ou mais orifícios de entrada 83, 84 e/ou dois ou mais orifícios de saída 85,86 podem ser usados.

Em concretizações preferidas, a MEA 40 é fabricada como uma camada de polímero fina intercalada entre camadas de eletrodo em qualquer lado, formando respectivamente a face de anodo e a face de cátodo. As faces da MEA preferivelmente incluem uma área 'ativa' central cercada por uma área periférica (ou 'armação') que é reforçada para permitir a formação de orifícios de entrada e saída (por exemplo, orifícios 44, 45 da Figura 4) e outros coletores com risco reduzido de dano à integridade estrutural da MEA. Nesta área periférica reforçada, a MEA pode enfrentar várias tensões e forças muito mais efetivamente do que a área ativa fina do eletrodo.

Onde tal MEA reforçada é usada, é preferível que o espaços periféricos (por exemplo, 49, 50 e 61 a 67 das Figuras 6a a 6e) estejam localizados cobrindo a área periférica reforçada da MEA para ajudar a evitar qualquer risco que falha estrutural poderia ocorrer na MEA devido à falta de suporte para a área ativa central da MEA quando a célula de combustível é comprimida durante montagem de uma pilha de célula de combustível. A estrutura das áreas periféricas reforçadas da MEA não é afetada por conteúdo de água à mesma extensão como as áreas ativas da montagem de membrana-eletrodo. A área ativa da MEA poderia caso contrário inchar e parcialmente bloquear os espaços quando molhada, ou produzir pontos estruturais fracos se secada pelo hidrogênio de alimentação.

Todos os arranjos descritos acima foram ilustrados por referência ao lado de anodo de uma célula de combustível (isto é, uma meia-célula de anodo). Porém, será entendido que uma meia-célula de cátodo correspondente poderia utilizar uma estrutura de meia-célula semelhante como descrito com relação às Figuras 4 a 6, ou poderia usar outros tipos convencionais de construção de meia-célula, por exemplo usando placas de fluxo de fluido tendo canais de distribuição de fluido nelas.

Em uma concretização preferida, a meia-célula de cátodo inclui uma configuração de 'cátodo aberto' convencional na qual o cátodo está aberto à atmosfera para ambas provisão de oxigênio, exaustão de subproduto e esfriamento de célula. Preferivelmente, o cátodo é ventilado por força (por exemplo, por ventilador) para entregar oxigênio e ar de esfriamento e para expelir subproduto de vapor d'água.

Eliminação de canais ou sulcos 16 na placa de anodo 40 habilita uma redução significativa na espessura da placa de anodo quando comparada com a placa de fluxo de fluido 14 (Figura 1). Em um projeto, a espessura de cada placa de anodo foi reduzida de 0,85 mm para apenas 0,25 mm com aumento significativo conseqüente em densidade de potência da pilha de célula de combustível. A redução de espessura de cada placa de anodo na pilha oferece uma redução significativa em ambos peso e volume da pilha de célula de combustível.

Também foi achado que a ausência de canais 16 em uma placa de anodo 14 reduz a área de placa para qual não há nenhum contato elétrico direto entre a placa 14 e o eletrodo 12. Em outras palavras, há quase 100% de área de contato entre a placa de anodo e o material de difusor. Nos eletrodos da arte anterior, qualquer descontinuidade em contato elétrico entre a placa de anodo e o eletrodo eleva localmente densidades de corrente entre os canais. A presente invenção habilita evitar as áreas de não contato de canais 16, conseqüentemente reduzindo perdas ôhmicas como resultado de densidades de corrente reduzidas geralmente pela área do eletrodo.

Eliminar a necessidade para formar canais 16 na placa de anodo 14 também simplifica os processos de fabricação. Foi achado ser muito mais fácil cortar para formar a gaxeta de vedação 41 e/ou a folha de difusor 48 que gravar ou estampar canais 16 na placa de anodo 14.

Em arranjos preferidos, a célula de combustível é uma célula de combustível de hidrogênio, na qual o combustível de fluido de anodo é hidrogênio gasoso, o fluido de cátodo é ar e a exaustão de subproduto é vapor d'água e ar sem oxigênio. O fluido de entrada também pode incluir outros gases (por exemplo, para lastro, purgação ou hidratação de membrana). O uso de uma placa de ânodo 40 sem canais e confiante em distribuição de gás pelos espaços 49, 50 e em difusão em plano dentro do material de difusor foi achado ser mais efetivo para transporte de hidrogênio aos locais de catalisador do eletrodo. Altas taxas de difusividade de hidrogênio e o baixo sobre-potencial da reação de oxidação de hidrogênio em locais de catalisador são utilizados. A fim de assegurar uma boa provisão de combustível fluido à superfície ativa inteira do eletrodo de anodo, é vantajoso ter uma difusividade relativamente alta do gás de anodo pela folha de difusor 48 comparada com uma taxa de difusividade relativamente mais baixa dentro do eletrodo de anodo 40 (e qualquer camada de suporte 12a nele). A configuração de anodo funciona melhor quando um diferencial de pressão significante é mantido entre o orifício de entrada 44 e o orifício de saída 45 para dar difusão forçada. Isto também é mostrado para reduzir tempo de purgação.

Preferivelmente, o material de difusor tem permeabilidade dependente axialmente. Em outras palavras, taxa de transporte de gás em uma direção em plano pode ser diferente de taxa de transporte de gás em outra direção em plano. Neste caso, as folhas de difusor podem ser orientadas vantajosamente tal que o transporte de gás mais efetivo e homogêneo entre os espaços ou do espaço de entrada para a região central da folha de difusor seja efetuado. Materiais de difusor podem ter uma orientação de fibras (por exemplo, um esteira tecido) que provê esta dependência axial, e as fibras podem preferivelmente ser orientadas em uma direção 'pela célula' para ajudar com transporte de hidrogênio ao centro da meia-célula. Além disso, homogeneidade de transporte de gás ao eletrodo pode ser melhorada quando a taxa de difusão em plano do material de difusor é mais alta do que a taxa de difusão de plano cruzado.

Para assegurar taxa de difusão ótima pelo material de difusor, não deveria ser esmagada ou comprimida significativamente durante montagem da célula de combustível, isto é, quando todas as placas de pilha são comprimidas juntas para formar a montagem de célula de combustível. Preferivelmente, o material de gaxeta de vedação 41 é selecionado para ser mais duro (menos compressível) do que o material de difusor 48 por esta razão.

Materiais adequados para uso como a folha de difusor 48 são meios de difusão de gás TGP-H classes de papel de fibra de carbono fabricado por Toray.

Em concretizações preferidas, a gaxeta de vedação 41 tem uma espessura se achando na gama de 100 a 400 mícrons, e a folha de difusor 48 tem uma espessura se achando na gama de 150 a 500 mícrons. Em uma concretização preferida, a gaxeta de vedação tem uma espessura de 225 mícron, e a folha de difusor tem uma espessura de 300 mícrons. A distribuição de gás de anodo usando espaços periféricos e material de difusor como descrito acima também pode oferecer vantagens em administração de água no eletrodo. Formação de água causa inundação do eletrodo. Em projetos de placa de fluxo de fluido convencionais usando canais na placa, durante inundação, água se acumula nas bordas da área ativa do eletrodo, onde esfria. Há pouca ou nenhuma geração de corrente nas bordas da área ativa, portanto nenhuma geração de calor e a água permanece estacionária até que uma purgação seja executada.

Por contraste, na presente invenção, água se acumula para a região central da área ativa. Isto mantém a hidratação da MEA, mas também tem o efeito de reduzir o fluxo de corrente nas áreas inundadas. Em áreas ativas adjacentes onde a água não se acumulou, há fluxo de corrente mais alto, depleção mais rápida de hidrogênio e portanto uma região de pressão mais baixa. 0 hidrogênio e água ambos preferencialmente se movem para esta região de pressão mais baixa como resultado dos gradientes de pressão, por esse meio reduzindo a inundação localizada.

Outras concretizações estão intencionalmente dentro da extensão das reivindicações acompanhantes.

Claims (24)

1. Célula de combustível, caracterizada pelo fato de que inclui: uma montagem de membrana-eletrodo (40) tendo uma face de eletrodo de anodo; uma placa de anodo (46) adjacente a dita face de eletrodo de montagem de membrana-eletrodo e acoplada a ela por uma gaxeta de vedação (41); a gaxeta de vedação (41), face de eletrodo e placa de anodo (46) juntas definindo um volume de contenção de fluido (47) para entrega de fluido de anodo à face de eletrodo; e uma folha de material de difusor poroso (48) situada no volume de contenção de fluido (47) e tendo pelo menos um espaço (49, 50) definido entre pelo menos uma borda lateral (51, 52) da folha de material de difusor (48) e a gaxeta de vedação (41).

2. Célula de combustível de acordo com reivindicação l, caracterizada pelo fato de que o espaço (49, 50) é definido entre o todo de uma borda lateral (51, 52) da folha do material de difusor (48) e a gaxeta de vedação (41).

3. Célula de combustível de acordo com reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que o espaço (49, 50) é definido entre mais de uma borda lateral (51, 52) da folha de material de difusor (48) e a gaxeta de vedação (41).

4. Célula de combustível de acordo com qualquer reivindicação precedente, caracterizada pelo fato de que o espaço (80) ademais inclui uma fenda (82) se estendendo no corpo da folha de material de difusor (48).

5. Célula de combustível de acordo com qualquer reivindicação precedente, caracterizada pelo fato de que o espaço (49, 50) é um espaço periférico (67) que se estende ao redor da borda lateral inteira da folha de material de difusor (48).

6. Célula de combustível de acordo com quaisquer das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que o espaço (49, 50) é um primeiro espaço (49) que se comunica com um orifício de entrada de fluido (44) em uma borda periférica da célula de combustível, e ademais incluindo um segundo espaço (50) definido entre pelo menos uma borda lateral da folha de material de difusor (48) e a gaxeta de vedação (41), qual segundo espaço (50) se comunica com um orifício de saída (45) em uma borda periférica da célula de combustível, em que o segundo espaço (50) é separado do primeiro espaço (49) pelo material de difusor (48).

7. Célula de combustível de acordo com qualquer reivindicação precedente, caracterizada pelo fato de que a placa de anodo (46) tem uma superfície substancialmente lisa apresentada à face de eletrodo.

8. Célula de combustível de acordo com qualquer reivindicação precedente, caracterizada pelo fato de que a placa de anodo (46) não tem nenhum canal de distribuição de fluido formado em sua superfície apresentada à face de eletrodo.

9. Célula de combustível de acordo com qualquer reivindicação precedente, caracterizada pelo fato de que a folha de material de difusor (48) inclui uma esteira de fibra de carbono.

10. Célula de combustível de acordo com qualquer reivindicação precedente, caracterizada pelo fato de que a folha de material de difusor (48) tem uma permeabilidade axialmente dependente.

11. Célula de combustível de acordo com reivindicação 10, caracterizada pelo fato de que o material de difusor (48) é orientado tal que a direção de permeabilidade mais alta esteja disposta para ajudar o transporte de gás máximo do espaço (49, 50) ao centro da folha.

12. Célula de combustível de acordo com reivindicação 10, quando dependente de reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que o material de difusor (48) é orientado tal que a direção de permeabilidade mais alta esteja disposta para ajudar o transporte de gás máximo do primeiro espaço (49) ao segundo espaço (50).

13. Célula de combustível de acordo com qualquer reivindicação precedente, caracterizada pelo fato de ser formada em uma montagem unitária de múltiplas células co-planares compartilhando uma placa de anodo comum (46), mas definindo múltiplos volumes de contenção de fluido co-planares independentes (72, 73, 74), cada um com uma folha respectiva de material de difusor (75, 76, 77).

14. Célula de combustível de acordo com qualquer reivindicação precedente, caracterizada pelo fato de que a folha de material de difusor poroso (48) tem uma forma irregular incluindo rebaixos no perímetro por esse meio para formar o pelo menos um espaço (49, 50).

15. Célula de combustível de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizada pelo fato de que a folha de material de difusor poroso (48) tem um perímetro retangular e a gaxeta de vedação (41) tem uma forma irregular incluindo rebaixos em seu perímetro interno por esse meio para formar o pelo menos um espaço (49, 50).

16. Célula de combustível de acordo com qualquer reivindicação precedente, e caracterizada pelo fato de que inclui uma placa de cátodo adjacente a uma face de eletrodo de cátodo da face de eletrodo de montagem de membrana-eletrodo.

17. Célula de combustível de acordo com reivindicação 16, caracterizada pelo fato de que o eletrodo de cátodo é de uma configuração de cátodo aberto.

18. Célula de combustível de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 17, caracterizada pelo fato de que: um orifício de entrada de fluido é fornecido com a gaxeta de vedação;e o pelo menos um espaço é configurado para distribuir fluido recebido diretamente a partir do orifício de entrada de fluido para a folha de material de difusor poroso.

19. Célula de combustível de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que: o pelo menos um espaço, sendo um espaçamento onde o fluido flui e sendo fechado pela face de eletrodo anodo e pela placa de anodo, possui um primeiro espaço e um segundo espaço, o segundo espaço sendo separado do primeiro espaço por uma borda lateral da folha de material de difusor contatando uma borda lateral da gaxeta de vedação; e o primeiro espaço é conectado a um orifício de entrada de fluido fornecido com a gaxeta de vedação e o segundo espaço é conectado a um orifício de saída de fluido fornecido com a gaxeta de vedação.

20. Célula de combustível de acordo com a reivindicação 19, caracterizada pelo fato de que: a gaxeta de vedação possui um formato de anel, e é depositada no perímetro da face de eletrodo de anodo e da placa de anodo; o orifício de entrada de fluido se conecta ao primeiro espaço em um canto do volume de contenção de fluido; o orifício de saída de fluido se conecta ao segundo espaço em outro canto do volume de contenção de fluido, que está na diagonal do canto; o segundo espaço é fornecido com o outro canto do volume de contenção de fluido; e a direção de fluxo do fluido de anodo é na direção diagonal em um plano do material de difusor.

21. Célula de combustível de acordo com a reivindicação 19, caracterizada pelo fato de que o segundo espaço é separado do primeiro espaço por um material de difusor, e o primeiro espaço compreende ainda uma fenda se estendendo no corpo da folha de material de difusor em direção ao segundo espaço.

22. Célula de combustível de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o primeiro espaço constitui um espaço de entrada que se estende em tomo de uma porção majoritária da borda lateral periférica da folha de material de difusor e o segundo espaço constitui um espaço de saída que se estende em tomo de uma porção minoritária da borda lateral periférica da folha de material de difusor.

23. Pilha de célula de combustível, caracterizada pelo fato de que incorpora a célula de combustível como definida na reivindicação 16 ou reivindicação 17.

24. Célula de combustível, caracterizada pelo fato de que inclui: uma montagem de membrana-eletrodo tendo uma face de eletrodo de cátodo; uma placa de cátodo adjacente a dita face de eletrodo de montagem de membrana-eletrodo e acoplada a ela por uma gaxeta de vedação; a gaxeta de vedação, face de eletrodo e placa de cátodo juntas definindo um volume de contenção de fluido para entrega de fluido de cátodo para e/ou exaustão de fluido de cátodo da face de eletrodo; e uma folha de material de difusor poroso situada no volume de contenção de fluido e tendo pelo menos um espaço definido entre pelo menos uma borda lateral da folha de material de difusor e a gaxeta de vedação.