BRPI0616050A2

BRPI0616050A2 - placa para uma cÉlula de combustÍvel

Info

Publication number: BRPI0616050A2
Application number: BRPI0616050-6A
Authority: BR
Inventors: Pierre Gaudillat
Original assignee: Renault Sa
Priority date: 2005-09-16
Filing date: 2006-07-26
Publication date: 2013-02-13
Also published as: WO2007031661A1; CN101268574B; JP5111378B2; RU2383087C2; FR2891089A1; FR2891089B1; JP2009508314A; KR101332720B1; KR20080047468A; CN101268574A; EP1929565B1; EP1929565A1; RU2008114855A

Abstract

PLACA PARA UMA CÉLULA DE COMBUSTÍVEL. A invenção refere-se a uma placa para célula de combustível, particularmente do tipo de membrana de troca iônica, compreendendo canais de alimentação (2 a 5) conectados a um orifício de entrada (2a) disposto no centro de uma das superfícies da placa, e canais de descarga (6 a 9) em que circulam respectivamente uma corrente de fluido reativo com uma concentração relativamente elevada e uma corrente de fluido reativo com uma concentração relativamente baixa. Os canais de alimentação e/ou descarga são simetricamente dispostos sobre a placa, os canais de alimentação e descarga tendo configurações fractais similares e dispostos de modo complementar para obter uma rede de canais entrelaçados.

Description

"PLACA PARA UMA CÉLULA DE COMBUSTÍVEL"

A presente invenção refere-se a uma placa para uma célula de combustível, particularmente para uma célula de combustível do tipo compreendendo uma membrana de troca iônica (PEM) destinada a ser

equipada em um veículo automotivo.

As células de combustível do tipo PEM geralmente compreendem uma pilha de placas bipolares e de membranas de troca iônica, as membranas sendo formadas por um eletrólito sólido produzido, por

exemplo, de polímeros.

As placas bipolares são providas, em suas faces em contato com

as membranas, com ranhuras formando, com referidas membranas, canais de

distribuição ou condutos que permitem que os gases de movimentem em

contato com a membrana.

Os gases anódicos se movimentam em um lado da membrana e

gases catódicos se movimentam no lado oposto. As reações de oxidação / redução dos gases anódicos e catódicos ocorrem em ambos os lados da membrana, com trocas de íons através do mesmo, sendo os elétrons transportados pelas placas bipolares. A energia elétrica é assim recuperada e usada particularmente para a tração do veículo motorizado.

Quando os gases se movimentam nos canais a partir de uma entrada para uma saída, os reagentes são gradualmente consumidos. A concentração dos reagentes na corrente se movimentando dentro dos canais é assim reduzida à medida que a corrente se movimento ao longo dos mesmos. Esta redução em reagentes, a fortiori próxima das saídas do canal de distribuição, pode resultar em uma distribuição não uniforme dos reagentes sobre a superfície de troca ativa da membrana. Isto não permite uma operação satisfatória da célula a ser obtida.

Assim, com o objetivo de obter um melhor desempenho e uma aumentada confiabilidade da célula de combustível, é desejável prover uma distribuição homogênea dos reagentes anódico e catódico sobre as regiões ativas das membranas.

Várias soluções já foram propostas a fim de obter uma melhor distribuição dos reagentes. Assimi ocorre que a patente US 4 988 583 descreve uma placa bipolar provida, em uma de suas faces, com um canal único para a distribuição de fluidos que realiza seu percurso a partir de uma borda da placa para uma borda oposta e que é produzido a partir de uma pluralidade de meandros contínuos espalhados em forma de escrita ^R) "boustrophedon". Os meandros são dispostos sobre a face da placa de modo a serem distribuídos sobre a maior parte da referida face.

Patente US 5 641 586 por sua parte descreve uma placa bipolar compreendendo uma pluralidade de canais de entrada e canais de saída para fluídos dispostos entre um e outro em um modo cruzado, os fluidos se movendo a partir dos canais de entrada para os canais de saída enquanto passando através de uma camada de difusão de gás.

Além disso, os documentos US-B1-6 616 327 e US-B1-6 333 019 descrevem uma disposição de alimentação e/ou descarga de condutos para fluidos, particularmente para uma célula de combustível compreendendo uma pilha de placas, em que as seções de entrada e saída são inseridas sobre cada uma das placas de modo a obter condutos de circulação de fluido demonstrando uma configuração fractal escalonada.

Além disso, os documentos US-A 2004/0023100 e US-A- 2004/0076405 descrevem uma placa bipolar compreendendo condutos de alimentação e/ou descarga para fluidos providos com uma ramificação principal e com sucessivas ramificações laterais, com uma seção transversal reduzida com relação ao referido conduto principal e dispostos de modo a obter condutos demonstrando uma configuração fractal.

Os canais ou condutos para alimentação e/ou descarga de fluidos, descritos nestes documentos, não fornecem um arranjo que torne possível melhorar de modo significante a distribuição dos reagentes a fim de obter uma distribuição homogênea dos reagentes sobre a membrana.

O objetivo da presente invenção consiste, assim, em superar desta desvantagem ao prover uma placa para uma célula de combustível que torna possível distribuir de modo homogêneo os fluidos de modo a aumentar a confiabilidade operacional da referida célula.

De acordo com um aspecto da invenção, uma placa para uma célula de combustível, particularmente do tipo compreendendo uma membrana de troca iônica, compreende canais de alimentação conectados ao orifício de entrada posicionado no centro de uma das faces da placa e canais de descarga em que uma corrente de fluido reativo em uma concentração relativamente elevada e uma corrente de fluido reativo em uma concentração relativamente baixa se movimentam respectivamente.

Os canais de alimentação e/ou descarga são inseridos sobre a placa em um modo simétrico, os canais de alimentação e de descarga exibindo configurações fractais similares que são dispostas em um modo complementar a fim de obter uma rede de canais entrelaçados. 2O Com tal disposição, se torna conseqüentemente possível obter

uma distribuição mais homogênea dos reagentes na placa bipolar.

Isto é porque a previsão dos canais de alimentação exibindo uma geometria fractal de estrutura simétrica em combinação com o arranjo de um orifício de entrada no centro de uma face da placa torna possível a distribuição do fluido sobre o todo da placa de acordo com os cursos e as taxas de fluxo que são idênticos nas várias regiões da placa.

Além disso, o arranjo sobre a mesma placa dos canais de alimentação e de descarga exibindo configurações fractais similares que são dispostos em modo complementar a fim de obter uma rede de canais entrelaçados, torna possível obter não somente uma taxa de fluxo idêntica para a alimentação e a descarga da placa, mas também dos canais de descarga que são circundados pelos canais de alimentação, enquanto estando próximos destes, o que torna possível obter um arranjo dos canais em movimento em que o fluido mais pobre em reagente está situado na proximidade dos canais de movimento em que o fluido é rico em reagente.

Com vantagem, os canais de alimentação e descarga compreendem pelo menos dois eixos de simetria.

Preferivelmente, os canais de alimentação e descarga compreendem condutos principais, sendo cada conduto principal provido com uma pluralidade de ramificações laterais sucessivas dispostas em modo simétrico com relação ao referido conduto.

A estrutura simétrica das ramificações laterais torna possível prover uma taxa de fluxo idêntica para cada conduto principal respectivo.

Em uma forma de realização, os comprimentos e as seções transversais das ramificações laterais sucessivas são cada vez iguais, de um ponto de ramificação pra cada conduto de alimentação respectivo.

Assim, a velocidade e as quedas de pressão são, de cada vez, iguais nas várias regiões da placa, qualquer que seja o fluxo que está se movimentando, e uma distribuição e/ou descarga homogênea(s) dos reagentes é/são obtida(s) garantindo uma operação ótima da célula.

Os condutos principais dos canais de alimentação são conectados ao orifício de entrada e podem ser com vantagem em número quatro e se estender entre o referido orifício e os cantos da placa.

Com vantagem, os condutos principais dos condutos de descarga emergem em cada um dos lados da placa.

Em uma forma de realização preferida, as relações das seções transversais entre porções imediatamente consecutivas do conduto principal são idênticas uma à outra.

A presente invenção será melhor entendida com o estudo da descrição detalhada de formas de realização tomadas a título de exemplos sem qualquer limitação implicada e ilustrada pelos desenhos anexos, em que:

- figuras 1 e 2 ilustram um exemplo do arranjo de canais para o movimento de fluido reativo de uma placa para uma célula de combustível;

- figura 3 é uma vista detalhada da figura 2; e

- figura 4 ilustra um segundo exemplo do arranjo de canais para ^R) o movimento de fluido reativo de uma placa para uma célula de combustível.

Com referência às figuras 1 a 4, uma descrição será dada agora de várias formas de realização de canais para o movimento do fluido reativo para uma placa de célula de combustível.

Uma placa de célula de combustível compreende um determinado número de ranhuras que delimitam entre as mesmas, em conjunto com uma membrana de troca iônica, vários canais em que um fluido reativo se movimenta.

Na figura 1, uma placa de referência 1 em sua totalidade exibe uma forma geral quadrada. A placa pode ser uma placa bipolar ou também uma placa monopolar. Vários canais de movimento e descarga são inseridos na forma de ranhuras se estendendo sobre uma face de referida placa.

A placa 1 pode ser dividida em quatro regiões quadradas idênticas delimitadas por duas linhas retas perpendiculares aos lados. As linhas retas e as diagonais da placa formam eixos de simetria dentro do significado de geometria plana.

Um primeiro canal de alimentação 2 é formado sobre a placa em uma região quadrada Ia situada no topo à direita das figuras 1 e 2. O primeiro canal de alimentação 2 compreende um conduto principal C1 se estendendo retilineamente a partir de um orifício de entrada 2a inserido no centro da face da placa 1 até a proximidade da ponta à direita superior da placa 1. Referido conduto principal Cj compreende uma pluralidade de porções Ci.0 a C5.0 se estendendo assim ao longo da semi-diagonal da placa 1. A porção Clo é conectada ao orifício de entrada 2a, a porção C5.0 se estendendo até a proximidade da ponta direita superior. As porções Ch0 a C5.0 demonstram aqui uma profundidade constante e uma largura que diminui gradualmente de porção a porção.

Como ilustrado mais obviamente na figura 3, que representa uma vista detalhada do canal de alimentação 2 na região la, a primeira porção C10 do conduto principal C1 do canal de alimentação 2 compreende uma pluralidade de ramificações laterais retilíneas sucessivas. A porção Clo do conduto principal C1 se divide aqui em dezesseis ramificações laterais, de referência Cu a C16.ls que se estendem perpendicularmente com relação ao referido conduto principal enquanto sendo dispostas de modo a reter um

espaçamento uniforme entre duas ramificações laterais imediatamente adjacentes.

As ramificações laterais Cu a C8>1 estão situadas no lado à esquerda da região quadrada la, ao considerar a porção CL0, as ramificações laterais C9il a C16il sendo simétricas respectivamente às ramificações Cu a C8ils com relação à referida porção Cko.

As ramificações Cu e C9>1 são simétricas com relação às ramificações C3il e Clu, ao considerar as ramificações C2.i e Ci0.i. As ramificações laterais C2il e Cloj exibem comprimentos e seções transversais substancialmente maiores do que as das ramificações Cu e Gu.

Cada uma das ramificações laterais C2^e Ci0.! novamente subdivide em três ramificações laterais derivadas sucessivas, respectivamente, de referências C1,, C2,, C3,, Clo, C2mlfh e C3,0. As ramificações derivadas C,2, C3.2, Cuo, e C3m são perpendiculares às

ramificações C2, e C10,. As ramificações C2.2 e C2il0 são respectivamente

dirigidas na mesma direção que as ramificações C2., e C10.,. As ramificações

derivadas de uma ramificação lateral são simétricas com relação às

ramificações derivadas da outra ramificação lateral, ao considerar a porção

C,.0. As ramificações laterais sucessivas C,.2 C2.2, C3.2, Cia Czio e C110

demonstram comprimentos idênticos e seções transversais às das ramificações laterais Cu e C9.].

A distância entre duas ramificações laterais imediatamente

adjacentes da porção Ch0 é substancialmente igual à distancia entre o ponto

de ramificação do conduto principal Cw e da ramificação lateral C2.! e o

ponto de ramificação do conduto principal C2., com as ramificações laterais derivadas sucessivas C,.2, C22 e C3i2.

As ramificações laterais C5., e C13.,, C6., e C14., e C7., e C15., são simétricas respectivamente com relação às ramificações laterais C3., e Cn.,, Cu e Cio.,, e Cu e C9.,, ao considerar as ramificações C4., e C12.,. De modo análogo às ramificações C2., e C10.,, as ramificações laterais C6., e C14., assim se separam em três ramificações derivadas sucessivas.

As ramificações C4., e C12., dividem, cada, em suas extremidades, novamente em três ramificações laterais sucessivas posicionadas em 45° com relação uma à outra e com dimensões idênticas às da ramificação C2,. Cada uma das referidas ramificações laterais sucessivas novamente separa em três ramificações com dimensões idênticas às da ramificação C,2. A ramificação C4, também compreende duas ramificações laterais sucessivas adicionais obtidas por rotação das ramificações C3, e C„„ ao considerar o ponto de ramificação da porção C,0 e da ramificação C4,. As ramificações laterais sucessivas da ramificação C12, são simétricas às da ramificação C4,, com relação à porção C,.0. A porção Ci.o do conduto Ch as ramificações laterais Cu a C7.1 e C9.i a C15.i, e suas ramificações laterais sucessivas formam, assim, uma primeira sub-rede de condutos de alimentação na região la.

A ramificação lateral C8.i se estende a partir do conduto principal C1.0 até a proximidade da ponta à esquerda superior da região quadrada la. As ramificações laterais C8il e Cltu compreendem uma pluralidade de ramificações sucessivas simétricas entre uma a outra com relação à referida ramificação lateral respectiva e com relação ao conduto C í.o-

As ramificações laterais sucessivas da ramificação lateral C8a são obtidas por rotação em 90° na direção do sentido horário, ao considerar um ponto de ramificação M1 do conduto principal Ci.0 e da ramificação lateral C8.ls ramificações C51i C13.!, C7.1, C15.!, e também C6.i e C14il e suas ramificações laterais sucessivas associadas. Assim, as ramificações laterais da ramificação Ci6il são obtidas por rotação em 90° no sentido trigonométrico, ao considerar o ponto de ramificação M1 e as ramificações acima mencionadas.

As ramificações C8.i e C16il dividem, cada, novamente, em suas extremidades, em três ramificações laterais posicionadas a 45° com relação uma à outra, cada uma das referidas ramificações exibindo uma estrutura geométrica e dimensões idênticas às da ramificação C4>1 e compreendendo ramificações laterais sucessivas associadas dispostas em um modo análogo. Assim, as ramificações C8j e C16il e suas ramificações laterais sucessivas derivadas formam segunda e terceira sub-redes de condutos de alimentação que são idênticos entre si.

As porções C2.0 e C5.0 do conduto principal Cl são conectadas a uma pluralidade de ramificações laterais e de ramificações laterais derivadas de modo a formar uma quarta sub-rede de condutos de alimentação que

podem ser obtidos, a partir da segunda sub-rede, por rotação em 90° na direção do sentido horário.

A fim de assegurar que a distribuição do fluido seja completamente homogênea, provisão é feita, além disso, para uma seção transversal de uma porção Cn.0 do conduto principal Cb em que η pode ter o valor de 2, 3, 4 ou 5, para ser um terço do da porção Cfrli0. Assim, nota-se que as quedas de pressão no fluxo do fluido a partir do ponto de ramificação M1 são exatamente iguais para cada uma dentre a segunda, terceira e quarta sub-redes.

Para esta finalidade e como acima mencionado, foi tomada preferivelmente uma precaução para que a distância entre duas ramificações laterais imediatamente adjacentes do conduto principal C1 fosse substancialmente igual à distância entre duas ramificações laterais sucessivas imediatamente adjacentes da ramificação lateral respectiva.

Considerando novamente as figuras 1 e 2, a placa 1 também

compreende segundo, terceiro e quarto canais de alimentação, de referência 3 a 5, respectivamente formados em regiões quadradas Ib a Id da referida placa e cada se estendendo a partir do orifício de entrada 2a até a proximidade da ponta defronte da região quadrada correspondente. As referidas regiões Ib a Id estão respectivamente situadas no topo à esquerda, no fundo à esquerda e no fundo à direita. Cada um dos referidos canais de alimentação também compreende um conduto principal e uma pluralidade de ramificações laterais sucessivas (sem referência).

O segundo, terceiro e quarto canais de alimentação 3 a 5 são obtidos respectivamente a partir do primeiro canal 2 por rotação em 90°,

180° e 270° no sentido trigonométrico tendo como centro o orifício de entrada 2a.

Os canais de alimentação 2 a 5 são, assim, simétricos em pares

# com relação às linhas retas perpendiculares aos lados da placa 1 delimitando as regiões Ia a ld. O fluxo do fluido através dos canais assim ocorre em um modo perfeitamente homogêneo e idêntico nestas várias regiões.

A rede de condutos de alimentação assim formada pelos canais 2 a 5 assim demonstra uma propriedade de geometria de similaridade interna, qualquer parte da referida rede exibindo uma aparência substancialmente idêntica à sua aparência global. A rede assim exibe uma configuração fractal. Como evidente, a propriedade de invariância por mudança em escala é limitada pela praticabilidade técnica das perfurações a fim de obter ramificações laterais com um diâmetro pequeno.

A placa 1 também compreende canais de descarga principais,

aqui em número de quatro e de referência 6 a 9, se estendendo

respectivamente a partir do meio da borda superior, a partir do meio da borda

lateral esquerda, a partir do meio da borda inferior e a partir do meio da

borda lateral à direita na direção do orifício de entrada 2a com uma largura

que diminui gradualmente. Os canais de descarga 6 a 9 demonstram uma

estrutura geométrica similar à dos canais de alimentação 3 a 5 mas

demonstra dimensões reduzidas em uma relação de λ/2. Oscanais de

2

descarga 6 a 9 exibem uma configuração fractal similar, somente variando os comprimentos e as seções transversais.

Os canais de descarga 7 a 9 podem ser obtidos, a partir do primeiro canal 6, respectivamente, por rotação em 90°, 180° e 270° no sentido trigonométrico tendo, como centro, o orifício de entradas 2a. As ramificações sucessivas de um canal de descarga se estendem dentro de duas regiões quadradas sucessivas da placa 1. Os canais de descarga 6 a 9 são simétricos em pares com relação às diagonais da placa 1.

A placa 1 também compreende canais de descarga laterais em cada uma das regiões quadradas Ia a Id que demonstram padrões geométricos idênticos aos dos canais de descarga 6 a 9. Na região quadrada la, a placa 1 compreende uma primeira combinação de canais de descarga (sem referência) se estendendo a partir da borda superior da referida região. Estes canais laterais podem ser obtidos das ramificações laterais do conduto de descarga 7 situado na região quadrada Ia por rotação em 90° no sentido trigonométrico tendo como centro o ponto de ramificação M1.

Na região la, a placa 1 também compreende uma segunda

combinação de canais de descarga laterais se estendendo a partir da borda à

direita desta região. Estes canais são obtidos a partir dos canais de descarga

da primeira combinação por rotação em 90° na direção de sentido horário, ao considerar o ponto de ramificação M1.

De modo análogo, as regiões quadradas Ib a Id também

compreendem primeira e segunda combinações de canais de descarga

laterais. Na região lc, os canais de descarga laterais são obtidos por simetria

dos canais laterais da região la, ao considerar a diagonal da placa passando

através da ponta à direita inferior e através da ponta à esquerda superior. Nas

regiões Ib e ld, os canais de descarga laterais são obtidos respectivamente a

partir dos canais das regiões Ia e Ic por simetria, ao considerar a linha reta

vertical perpendicular às bordas superior e inferior que delimitam as regiões Ib e Ic das regiões Ia e ld.

Deste modo, o arranjo dos canais de descarga principais 6 a 9 e dos canais de descarga laterais com relação ao dos canais de alimentação 2 a em combinação com a configuração geométrica fractal similar destes canais torna, assim, possível obter uma distribuição homogênea e descarga do fluido sobre o todo da placa 1 com quedas de pressão idênticas. A via média de um componente de gás reativo entre sua entrada sobre a placa e sua saída é, assim, substancialmente igual, particulannente em termos de comprimento e de quedas de pressão, qualquer que seja seu curo, a fim de prover uma distribuição homogênea sobre a superfície.

Além disso, o arranjo dos canais de descarga em que o fluido relativamente mais pobre em reagente realiza seu percurso, após passar através de uma camada de difusão de gás da célula, próximo dos anais de alimentação em que o fluido é relativamente rico em reagente, é também particularmente vantajoso para uma operação ótima da célula.

A forma de realização ilustrada na figura 4 difere em que os canais de alimentação 2 a 5, os canais de descarga principais 6 a 9 e os canais de descarga laterais exibem uma largura uniforme e profundidades variáveis, enquanto, no entanto, retendo as relações de seções transversais idênticas às descritas na forma de realização precedente, de modo a obter uma distribuição e descarga homogêneas sobre a placa.

Claims

1. Placa para uma célula de combustível, em particular do tipo compreendendo uma membrana de troca iônica, caracterizada pelo fato de que ela compreende canais de alimentação (2 a 5) conectados a um orifício de entrada (2a) posicionado no centro de uma das faces da placa e canais de descarga (6 a 9) em que uma corrente de fluido reativo em uma concentração relativamente elevada e uma corrente de fluido reativo em uma concentração relativamente baixa, respectivamente, se movimentam e em que a alimentação e/ou canais de descarga são inseridos sobre a placa em um modo simétrico, a alimentação e os canais de descarga exibindo configurações fractais similares que são dispostas em um modo complementar a fim de obter uma rede de canais entrelaçados.

2. Placa de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a alimentação e os canais de descarga compreendem, pelo menos, dois eixos de simetria.

3. Placa de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que a alimentação e os canais de descarga compreendem condutos principais, cada conduto principal sendo provido com uma pluralidade de ramificações laterais sucessivas dispostas em modo simétrico com relação ao referido conduto.

4. Placa de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que os comprimentos e as seções transversais das ramificações laterais sucessivas são cada vez iguais, de um ponto de ramificação para cada conduto de alimentação respectivo.

5. Placa de acordo com a reivindicação 3 ou 4, caracterizada pelo fato de que os condutos principais dos canais de alimentação são conectados no orifício de entrada (2a).

6. Placa de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 a 5, caracterizada pelo fato de que ela compreende quatro condutos principais se estendendo entre o orifício de entrada (2a) e os cantos da placa.

7. Placa de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 a 6, caracterizada pelo fato de que os condutos principais dos canais de descarga emergem em cada um dos lados da placa.

8. Placa de acordo com uma das reivindicações 3 a 7, caracterizada pelo fato de que as relações da seções transversais entre porções imediatamente consecutivas (Cko a C5l0) do conduto principal (C1) são idênticas uma com relação à outra.