BRPI0617632A2

BRPI0617632A2 - placa de extremidade para célula de combustìvel, e, célula de combustìvel

Info

Publication number: BRPI0617632A2
Application number: BRPI0617632-1A
Authority: BR
Inventors: David Olsommer; Daniel Laurent; Cedric Leroy
Original assignee: Michelin Rech Tech
Priority date: 2005-10-18
Filing date: 2006-10-16
Publication date: 2011-08-02
Also published as: US20100178576A1; JP5615948B2; EP1958280A2; KR101286403B1; CN101292383B; WO2007045416A2; BR122017015929B1; BRPI0617632B1; WO2007045416A3; EP2204870A1; JP2009512169A; US8202639B2; RU2399121C2; FR2892234A1; PL2204870T3; RU2008119490A; ATE547817T1; CN101292383A; EP1958280B1; JP5335429B2

Abstract

PLACA DE EXTREMIDADE PARA CéLULA DE COMBUSTìVEL, E,CéLULA DE COMBUSTìVEL Pilha de combustível (FC) que compreende um empilhamento(A) de placas bipolares e de membranas trocadoras de íons dispostas em alternância, o empilhamento (A) sendo contido entre duas placas de extremidade (B e C), o empilhamento (A) compreendendo canalizações de alimentação e de retorno para os fluidos necessários para o funcionamento da célula, os ditos fluidos compreendendo pelo menos um gás combustível, as canalizações se comunicando com uma instalação de gestão dos fluidos que compreende elementos para controlar certos parâmetros de funcionamento para reciclar os gases não consumidos pela célula e elementos para eliminar a água produzida pela célula, a dita instalação compreendendo conexões para alimentar a célula com gás, na qual a instalação de gestão dos fluidos é integrada pelo menos em parte no interior de uma das placas de extremidade.

Description

"PLACA DE EXTREMIDADE PARA CÉLULA DE COMBUSTÍVEL, E,CÉLULA DE COMBUSTÍVEL"

DOMÍNIO DA INVENÇÃO

A presente invenção se refere às células de combustível. Maisespecialmente, ela se refere aos circuitos de alimentação com gás e comlíquido de resfriamento de uma célula de combustível.

ESTADO DA TÉCNICA

É sabido que é preciso alimentar a célula de combustível comhidrogênio e com ar ou com oxigênio puro. Em geral, é preciso resfriá-laconsiderando-se as densidades de potência procuradas; com essa finalidade,de preferência, faz-se a célula ser atravessada por um fluido portador de calorcomo água. Por outro lado, é preciso controlar certos parâmetros importantesda gestão dos gases, como sua pressão, sua temperatura, sua umidade, a taxade recirculação desses gases. Isso requer uma instalação de gestão de gásbastante complexa e volumosa, em geral tão volumosa quanto a própriacélula.

Uma célula de combustível compreende um empilhamento deplacas bipolares e de membranas trocadoras de íons dispostas em alternância.O empilhamento é contido entre duas placas de extremidade. As canalizaçõesde alimentação e de retorno para os fluidos são em geral dispostasparalelamente à direção de empilhamento e chegam às placas de extremidadeou a uma entre elas, onde elas se unem a canalizações que ligam oempilhamento à dita instalação de gestão dos gases.

Pelo pedido de patente US 2004/0247984, é tambémconhecido integrar a uma das placas ditas de extremidade elementos dainstalação de gestão dos fluidos utilizados pela célula. No entanto, de acordocom a tecnologia descrita, os elementos de gestão dos fluidos utilizados pelacélula são repartidos entre várias placas que são dispostas no sentido doempilhamento, o que leva a aumentar substancialmente o volume ocupadopela célula no sentido do empilhamento.

O objetivo da invenção é reduzir o volume ocupado pela ditainstalação de gestão dos fluidos, a fim de facilitar a implantação da mesmapor exemplo em um veículo.

Um outro objetivo da invenção é projetar uma instalação degestão dos fluidos simples, cuja fabricação industrial se presta bem àautomatização a fim de, entre outras vantagens, reduzir os custos defabricação industrial.

A fim de conferir à célula de combustível uma perfeitaestanqueidade e uma condução elétrica uniformemente repartida, oempilhamento é comprimido por tirantes paralelos à direção de empilhamentoe ancorados de um lado e do outro às placas de extremidades. Essas últimasdevem portanto ser robustas e conferir uma pressão suficiente e de preferênciahomogênea em toda a seção das placas bipolares e membranas trocadoras deíons. As placas de extremidades devem também suportar a pressão dos gasespresentes no sistema.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

A invenção propõe uma placa de extremidade para célula decombustível, a placa de extremidade compreendendo um bloco estrutural quecompreende uma face interior destinada a ser colocada em apoio contra umempilhamento de células elementares, que compreende uma face exterioroposta à face interior e uma ou várias face(s) periférica(s), a face interiorcompreendendo pelo menos dois orifícios destinados à alimentação de umcircuito situado na célula para um gás, o bloco estrutural compreendendo umaprimeira câmara e compreendendo uma canalização de alimentação que chegaem uma parede da câmara, caracterizada pelo fato de que:

• a primeira câmara é disposta entre a face interior e a faceexterior, e é delimitada no lado da face interior e da face exterior por umaparede do bloco estrutural, a câmara sendo alongada sensivelmenteparalelamente à face interior, a câmara desemboca em uma face periférica, acâmara sendo delimitada por pelo menos um tampão montado na dita faceperiférica;

• um corpo de recirculação é montado no interior da câmara,posicionado lá onde chega a canalização de alimentação, o corpo derecirculação sendo montado de modo estanque na parede da câmara paraseparar a câmara em uma parte de recirculação do gás que chega a um dosorifícios e uma parte de alimentação que chega ao outro dos orifícios, o corpode recirculação compreendendo um elemento de mistura que permite misturaro gás novo que provém da canalização de alimentação e o gás que provém daparte de recirculação e que permite encaminhar a mistura para o outroorifício.

Graças à invenção, é possível integrar às ditas placas deextremidade, de preferência a uma das duas, uma função de gestão dos fluidosalojando para isso uma parte dos elementos necessários para a gestão dosfluidos, de preferência todos os elementos que desempenham um papel ativona gestão de todos os fluidos. Isso é feito aumentando-se a espessura de umatal placa de extremidade, o que não pode ser prejudicial à função mecânica daou das placas de extremidade, ao mesmo tempo em que permite umausinagem simples da placa de extremidade e uma montagem simples erobusta de diferentes elementos no interior dessa última.

Essa solução oferece vantagens importantes em termo deocupação de espaço, de ganho de peso, de confiabilidade e mesmo de custosde fabricação. Por outro lado, ela permite facilmente a realização de umainterface entre célula de combustível e veículo no qual é implantada a célulacom o auxilio de conexões auto-obturadoras para os fluidos, e de conectoreselétricos que podem ser introduzidos. Vantajosamente, os conectores elétricose as conexões podem ser dispostos de modo que a célula, à qual é integrada ainstalação de gestão dos fluidos, possa ser facilmente instalada e retirada doveículo, a fim de facilitar a manutenção, o conserto ou a substituição da célulade combustível.

E em especial graças à realização de uma câmara alongada e àmontagem de um corpo de recirculação no interior da câmara, de modoestanque na parede da câmara, que é possível separar a câmara em uma partede alimentação com gás que chega a um dos orifícios e uma parte derecirculação do gás que chega ao outro dos orifícios. Assim, é possívelintegrar em uma placa de extremidade numerosos elementos como porexemplo aqueles utilizados para controlar certos parâmetros defuncionamento. Trata-se por exemplo de bombas ou de eletroválvulas deregulação da pressão do gás. Por outro lado, é possível montar esseselementos em uma cadeia de fabricação em série, o número de tubosexteriores sendo reduzido ao mínimo.

E muito especialmente vantajoso montar em ou integrar sobreuma das placas de extremidade elementos para reciclar os gases nãoconsumidos pela célula. Trata-se por exemplo de um dispositivo de efeitoVenturi que permite, com o auxílio de uma vazão de gás novo, aspirar o gásque sai da célula e fazer o mesmo recircular dentro dessa última. Depreferência, elementos para eliminar a água produzida pela célula sãomontados sobre ou integrados em uma das placas de extremidade.

Os elementos evocados acima fazem parte de um sistema degestão de um dos gases. E possível associar os elementos de gestão de um dosgases a uma das placas de extremidade e associar os elementos de gestão dooutro dos gases à outra das placas de extremidade ou é possível associar todosesses elementos a uma só das placas de extremidade como no exemplo queilustra a invenção e que é descrito em detalhes abaixo. É possível mesmoassociar a uma só e mesma placa de extremidade não somente os elementosde gestão de um fluido portador de calor. Naturalmente, é possível repartirentre as duas placas de extremidade os elementos de gestão dos fluidos. Épossível também repartir entre as duas placas de extremidade elementos degestão dos gases e elementos de gestão de um fluido portador de calor.

Como vai ser mostrado no exemplo abaixo, é possível montarem ou integrar nas placas de extremidade, mesmo em uma só dessas últimas,a totalidade dos elementos da instalação de gestão de todos os fluidos, gás efluido portador de calor. Naturalmente, já é vantajoso só integrar ou montaruma parte, de preferência a maioria dos elementos da instalação de gestão dosfluidos em uma das placas de extremidade ou nas duas.

E possível chamar uma tal placa de uma "placa - sistema".Uma tal placa de extremidade é assim configurada para um circuito de gás.Naturalmente, a invenção se estende também a uma placa de extremidadeconfigurada para compreender os elementos de gestão dos dois gases(hidrogênio e oxigênio por exemplo), quer dizer uma placa que compreendeduas configurações semelhantes ao que está descrito acima.

De acordo com um outro aspecto da invenção, essa última seestende também a uma placa de extremidade configurada para a gestão dofluido portador de calor utilizado para o resfriamento de uma célula decombustível. Uma tal placa de extremidade para célula de combustível, quecompreende um bloco estrutural que compreende uma face interior destinadaa ser colocada em apoio contra o dito empilhamento, a face interiorcompreendendo pelo menos dois orifícios destinados a ser ligados a umcircuito situado na célula para um fluido portador de calor, é caracterizadapelo fato de que o bloco estrutural compreende uma câmara que formareservatório de alimentação com fluido portador de calor, que permite adisposição seguinte:

• a câmara que forma reservatório é delimitada por uma ouvárias paredes do bloco estrutural;

• a câmara que forma reservatório se estende entre os ditosdois orifícios;• uma platina é posicionada e montada no interior da câmaraque forma reservatório, de modo estanque na parede da câmara, e compreendemeios para assegurar a circulação do fluido portador de calor seletivamentepara os ditos orifícios.

Finalmente, a invenção se estende também a uma célula decombustível que compreende um empilhamento de placas bipolares e demembranas trocadoras de íons dispostas em alternância, o empilhamentosendo contido entre duas placas de extremidade, uma das placas deextremidade sendo uma placa - sistema.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

A presente invenção será melhor compreendida graças àdescrição detalhada de um modo de realização e de algumas variantes,ilustradas com as figuras anexas nas quais:

A figura 1 é um esquema de princípio de um sistema quecompreende uma célula de combustível e a instalação de gestão dos gasesassociada.

A figura 2 é uma vista esquemática de lado de uma célula decombustível de acordo com a invenção;

A figura 3 é uma vista da célula de combustível de acordo coma direção X na figura 2;

A figura 4 é uma vista de cima da célula de combustível dafigura 2;

A figura 5 é uma perspectiva que mostra a célula decombustível de acordo com a invenção próxima de um suporte de recepçãoassociado a um veículo, mas não conectada a esse último;

A figura 6 é uma outra perspectiva da placa de extremidade dafigura 5, que mostra o lado destinado a ser aplicado contra o empilhamento decélulas elementares;

As figuras 7A, 7B, 7C e 7D mostram um bloco estrutural quepermite a realização da placa de extremidade da figura 6;

A figura 8 é uma vista de cima da placa de extremidade dafigura 5;

A figura 9 é um corte de acordo com I-I na figura 8;

A figura 10 é uma vista de face da placa de extremidade dafigura 5;

A figura 11 é um corte de acordo com III-III na figura 10;

A figura 12 é um corte de acordo com II-II na figura 10;

A figura 13 é um corte de acordo com IV-IV na figura 8;

As figuras 14, 15 e 16 mostram esquematicamente umavariante com bomba de circulação do fluido portador de calor e termostatointegrados a uma placa de extremidade, os meios de gestão dos gases sendointegrados à outra das placas de extremidade.

DESCRIÇÃO DOS MODOS DE REALIZAÇÃO PREFERIDOS DA INVENÇÃO

Antes de começar a descrição detalhada, a atenção do leitor échamada para uma convenção de notação para as referências das figuras. Asreferências que começam pela letra "P" designam uma perfuração, umacanalização, uma perfuração cilíndrica, um furo ou um orifício em uma placade extremidade. Tomemos o exemplo de um orifício pelo qual i fluido entraem uma célula de combustível. Ele é designado por "P7" de modo genérico,quer dizer indistintamente qualquer que seja o fluido considerado. Termina-sea referência pela letra "o" para visar mais especificamente o gás oxigênio ou oar, pela letra "H" para visar mais especificamente o gás hidrogênio e pela letra"W" para visar mais especificamente o fluido portador de calor. Asreferências que começam pela letra "A" visam o empilhamento de célulaselementares da célula de combustível (comumente designado por "stack"). Asreferências que começam pela letra "C" designam um conector, elétrico, paragás ou para fluido portador de calor. As referências que começam pela letra"Ε" designam um elemento que pertence ao sistema de gestão de um dosfluidos. Se a referência que começa por "E" não é terminada por uma dasletras "h", "o" ou "w", é que o elemento em questão é único, quer dizer não édedicado a um só dos fluidos utilizados.

No esquema de princípio da figura 1, é vista uma célula decombustível FC que compreende um empilhamento A de células elementaresdo qual são vistos um orifício de entrada A7h e um orifício de saída A5h deum circuito de hidrogênio, um orifício de entrada A7w e um orifício de saídaA5w de um circuito de água utilizado como fluido portador de calor e umorifício de entrada A7o e um orifício de saída A5o de um circuito deoxigênio. São vistas na parte de baixo da figura todas as conexões dos gases ede água, esquematizadas em torno de uma linha em pontilhados.

Não se voltará a falar sobre o funcionamento de uma célula decombustível, que supõe-se seja conhecido pelo leitor. No presente relatório, aexpressão "pilha de combustível" designa um sistema que compreende umempilhamento de células eletroquímicas elementares e os elementos de gestãodos fluidos associados. Será ainda observado que o exemplo descrito aqui temcomo objeto uma célula de combustível alimentada com oxigênio puro. Nocaso de uma célula de combustível alimentada com ar ambiente comprimido,o circuito de gestão de ar compreenderia, em relação ao circuito de gestão deoxigênio, algumas adaptações absolutamente compatíveis com a concepçãointegrada proposta pela invenção. Por exemplo, o compressor de ar poderia ounão ser integrado, assim como os meios de controle de umidificação do ar.

A descrição seguinte se dedica a mostra uma topologia quepermite integrar a uma placa de extremidade os elementos de gestão dosfluidos utilizados por uma célula de combustível. Os elementos funcionais dainstalação de gestão do circuito de hidrogênio são os seguintes (ver a figura1): um condensador Gh, um dispositivo de efeito Venturi, uma válvula dechapeleta anti-retorno E5h, um regulador elétrico de pressão E2h, uma bombaE8h, um sensor de pressão E3h, uma válvula de sobrepressão E9h na célulade combustível e uma eletroválvula de purgação El0h. Os elementos dainstalação de gestão do circuito de água são os seguintes: um desionizador De um purgador automático E16. Os elementos da instalação de gestão docircuito de oxigênio são os seguintes: um condensador Go, um Venturi Vo,uma válvula de chapeleta anti-retorno E5o, um regulador elétrico de pressãoE2o, uma bomba E8o, um sensor de pressão E3o, uma válvula desobrepressão de alimentação E1o, uma válvula de sobrepressão na célula decombustível, uma eletroválvula de purgação E10o e uma bóia El7 para aregulação do nível de água produzida pelo funcionamento da célula decombustível.

Na figura 2, é visto o empilhamento A de células elementaresda célula de combustível. Será lembrado simplesmente que as célulaselementares do empilhamento A compreendem cada uma delas um anodo eum catodo separados por uma membrana trocadora de íons, tudo issoformando a montagem de eletrodos e membrana conhecida sob a abreviação"MEA" (para Membrane Electrode Assembly). Esse empilhamento é apertadoentre duas placas de extremidade B e b. O aperto assegura a estanqueidade dosistema, assim como o correto contato elétrico entre os elementos. A figura 3mostra a placa de extremidade B e são reconhecidos os orifícios dealimentação P7h, P7w e P7o e de recirculação P5h, P5w e P5o dos circuitosde gás e de água dispostos no próprio interior da célula de combustível. Oorifício de alimentação P7h do circuito de hidrogênio é montado no orifíciode entrada A7h (ver a figura 1) de hidrogênio do empilhamento A de células;o orifício de recirculação P5h do circuito de hidrogênio é montado no orifíciode saída A5h de hidrogênio não consumido para fora do empilhamento A decélulas elementares; o orifício de alimentação P7w do circuito de água deresfriamento é montado no orifício de entrada A7w de água no empilhamentoA de células elementares; o orifício de recirculação P5w do circuito de água émontado no orifício de saída A5w de água do empilhamento A de célulaselementares; finalmente, o orifício de alimentação P7o do circuito de oxigênioé montado no orifício de entrada A7o de oxigênio do empilhamento A decélulas elementares e o orifício de recirculação P5o do circuito de oxigênio émontado no orifício de saída A5o de oxigênio não consumido para fora doempilhamento A de células.

De acordo com a presente invenção, o sistema de gestão dosgases e da água de resfriamento é contido na placa de extremidade Β. A placade extremidade B compreende um bloco estrutural B1 de espessura suficiente para que se possa dispor aí três câmaras principais Pl w, PlhePl o, visíveisem especial nas figuras 4 e 7C. Vantajosamente, uma câmara Pl é dispostassensivelmente paralelamente à face interior B10. De preferência, ela ésensivelmente reta e de preferência ainda, ela tem uma forma cilíndrica. Asfiguras 7A, 7B, 7C e 7D permitem fazer compreender bem um modo de realização não limitativo da presente invenção. E possível partir de um blocode matéria sensivelmente paralelepipédico e proceder por usinagens. Asfiguras 7A, 7B, 7C e 7D mostram o aspecto da placa de extremidade Bquando as perfurações exigidas foram realizadas, e antes de se ter montado oselementos necessários para a constituição dos sistemas de gestão dos fluidos.E bem visto que a concepção da integração se presta bem a uma fabricaçãoem seqüências sucessivas, agrupando para isso todas as operações de mesmanatureza em uma mesma seqüência.

Para não obscurecer a seqüência da descrição com detalhesinúteis, não se abordará a totalidade das operações e usinagem e de montagem exigidas para realizar uma placa - sistema funcional. Há o empenho paraexplicar o princípio de concepção da integração de um ou dos sistemas degestão a uma placa de extremidade e os detalhes precisos, que dependem poroutro lado do esquema preciso do ou dos sistemas de gestão dos fluidos,podem evidentemente variar. E possível partir de um bloco estirado que jácompreende todas as perfurações paralelas à direção de acordo com a qual omaterial constitutivo, por exemplo alumínio, foi estirado. Também seriapossível realizar um bloco por fundição.

Assim, de preferência, todas as canalizações de alimentação ede evacuação P2, P3 são dispostas entre a face interior BlOea face exteriorBl 1, são alongadas sensivelmente paralelamente à face interior B10, edesembocam na mesma face periférica B12 que a ou as câmara(s) PI.

Quaisquer que sejam os processos, vantajosamente, procura-serealizar três câmaras principais Plw, Plh e Plo que formam cavidadesparalelas (ver em especial a figura 3), que desembocam pelo menos de umlado, quer dizer em uma face periferia e mesmo dos dois lados, o que éfavorável a uma montagem fácil dos elementos de gestão dos fluidos. Nointerior das cavidades paralelas, vão ser montados elementos e vão serconectadas canalizações e elementos que permitem construir os três sistemasde gestão respectivamente para um circuito de hidrogênio, um circuito para ofluido portador de calor e um circuito de oxigênio.

Na figura 6, é vista a face interior B10 da placa de extremidadeB de acordo com a invenção, destinada a ser colocada em apoio contra o ditoempilhamento. Essa face interior compreende dois orifícios P7h e P5hdestinados à alimentação de um circuito de hidrogênio que percorre oempilhamento A de células eletroquímicas elementares, dois orifícios P7o eP5o destinados à alimentação de um circuito de oxigênio e dois orifícios P7we P5w destinados à alimentação de um circuito de fluido portador de calor. Oconjunto da face exterior Bll e da ou das face(s) periférica(s) B12 estãolivres de qualquer contato com o empilhamento A de células eletroquímicaselementares. Isso permite montar nessas faces vários dos elementosnecessários para a constituição dos sistemas de gestão dos fluidos, como podeser percebido na mesma figura 6 e sobretudo na figura 5.

Na figura 7, é visto que a primeira câmara Pl é disposta entrea face interior Bl0 e a face exterior Bl1, na espessura do bloco estrutural B1.Ela é alongada no sentido paralelo à face interior B10 e é delimitadalateralmente por uma parede P10, aqui cilíndrica. O caráter cilíndrico dacâmara evidentemente é só uma comodidade de realização mecânica; acâmara poderia ter um aspecto paralelepipédico, sendo ainda alongadasensivelmente paralelamente à face interior B10.

De preferência, a fim de facilitar a montagem, a câmara Platravessa todo o bloco estrutural Ble desemboca em faces periféricas B12opostas, a câmara Pl sendo delimitada por dois órgãos que formam tampãomontados cada um deles em uma das faces periféricas B12, como porexemplo um tampão E12h e um receptáculo E7h (ver a figura 11).

A figura 5 mostra uma célula de combustível FC de acordocom a invenção e o suporte S no qual Eça é montada por um movimento deaproximação relativa (ver a flecha dupla F1) que permite ao mesmo tempoestabelecer as diferentes conexões de fluidos (conexões elétricas, conexão dosgases e conexão do fluido portador de calor) e posicioná-la mecanicamente.

Serão detalhados os diferentes circuitos de fluido integrados àplaca de extremidade B.

Circuito de água de resfriamento (ver essencialmente a figura 9)

A câmara P1w é delimitada em sua parte superior por umtampão E12w montado em uma face periférica B12. Um purgador E16 éinstalado no tampão E12w para evacuar a eventual presença de gás na água.Uma platina E11w é montada na extremidade inferior da câmara Plw. Essaplatina Ellw recebe duas conexões auto-obturadoras C1w e C2w e ela formaum tampão que obtura a câmara P1w em uma de suas extremidades.

A platina E11w compreende uma câmara interna P60w que secomunica com o orifício P5w e com a conexão C2w. Ela recebe por outrolado um tubo E61w do qual a parede é cheia na altura da câmara interna P60we compreende vários orifícios P62w em uma parte que se estendesensivelmente em todo o comprimento da câmara Plw. 0 volume da câmaraPlw no exterior do tubo E61w pode receber cristais de uma composiçãoquímica apropriada para formar o desionizador D. A câmara Plw forma umreservatório que se comunica de um lado com o orifício P7w e do outro ladocom a conexão Clw.

A água entra na placa de extremidade B pelo conector Clw nafigura 9, atravessa um desionizador D e entra na célula pelo orifício P7w.Como a extremidade superior do tubo E61w não está ocultada, toda a vazãonão passa através dos cristais. Isso permite limitar a perda de carga. Aobservação experimental mostra que a desionização é suficiente. Em variante,é possível adotar uma disposição que parece a um filtro, o que obrigaria atotalidade de vazão a atravessar o desionizador. Depois de ter passado nasplacas bipolares, a água volta para a placa de extremidade B pelo orifícioP5w, e deixa o sistema de gestão dos fluidos pelo conector C2w na figura 9.Será notado que o conector C2w está representado aberto enquanto que oconector Clw está representado fechado para mostrar bem a operação dosmesmos mas, na prática, esses conectores estão abertos juntos quando a célulade combustível é montada para ser funcional por exemplo em um veículo oueles estão fechados juntos quando a célula de combustão é desmontada.

Será notado ainda que, e isso é uma vantagem da presenteinvenção, por ocasião de sua passagem pelo sistema, a água mantém atotalidade da placa - sistema B em temperatura.

De preferência, a platina de extremidade de acordo com ainvenção compreende, além da câmara Plw que forma reservatório dealimentação com fluido portador de calor, uma primeira (Plh) e uma segunda(Plo) câmaras que permitem uma disposição de sistemas de gestão para ohidrogênio e para o oxigênio como explicado abaixo (ver por exemplo afigura 4).

Circuito de gás hidrogênio (ver essencialmente a figura 11)A câmara Plh se estende entre os orifícios P5h e P7h dispostosna face interior BlO do bloco estrutural BI. A câmara Plh é delimitada emsua parte superior por um tampão E12h montado em uma face periférica B12.Um sensor de pressão E3h é instalado no tampão E12h. A câmara Plh édelimitada em sua parte inferior por um receptáculo de coleta de água E7h,montado na parte inferior da face periférica B12 do bloco estrutural BI.

Um conector Clh é instalado na parte inferior da faceperiférica B12 (figura 5). Esse conector Clh é montado em uma perfuraçãoque forma a dita canalização de alimentação P2h de alimentação da célulacom gás hidrogênio (ver também a figura 7C - vista de cima do blocoestrutural Bl - para assinalar as diferentes perfurações entre as quais acanalização de alimentação P2h). A canalização de alimentação P2h é ligada auma outra perfuração que forma uma canalização auxiliar P3h que desembocaem um orifício de purgação, a dita canalização auxiliar sendo dispostasensivelmente paralelamente à canalização de alimentação, e conectada a essaúltima pelo menos por uma válvula de chapeleta de sobrepressão Elh (figura5). A canalização auxiliar P3h é em seguida ligada ao exterior do veículo viao conector C2h (figura 5, figura 6). Um tubo mergulhante de purgação E27(figura 11) é instalado no receptáculo de água E7h e é ligado a umaeletroválvula de purgação ElOh (figuras 5 e 6) que se comunica com acanalização auxiliar P3h, via uma perfuração de purgação P8h perpendicular àcanalização auxiliar P3h.

A canalização de alimentação P2h chega na parede PlOh dacâmara Plh (figura 13) via uma passagem P4h perfurada perpendicularmenteà canalização de alimentação P2h (ver a figura 7C). Um corpo de recirculaçãoE6h (Fig. 11) é posicionado no interior da câmara Plh de modo estanque naparede PlOh e na altura da passagem P4h. O corpo E6h separa a câmara Plhem uma parte de alimentação P12h com gás que chega no orifício P7h e umaparte Pl Ih de recirculação do gás que chega ao orifício P5h.Para uma melhor compreensão da constituição do corpo derecirculação E6, o leitor está convidado a se dirigir à figura 13 que mostra, emcorte por um plano perpendicular ao plano da figura 11, o corpo derecirculação E6o utilizado na câmara Plo do circuito de oxigênio. Os corposE6h e E6o e os dispositivos e meios que eles contêm são idênticos. Cadacorpo de recirculação E6 compreende uma primeira cavidade E61, umasegunda cavidade E62 e uma terceira cavidade E63. A segunda cavidade E62se comunica com a passagem P4 (ver P4o na figura 13, a passagem P4h parao hidrogênio não sendo visível na figura 11) por um lado e com um furo E64(ver E64o na figura 13, o equivalente para o circuito de hidrogênio não sendovisível na figura 11) que se comunica com a eletroválvula E2h (figuras 5, 10 e11) reguladora de pressão. A figura 7C mostra as passagens P4h e P4o, semmostrar outros detalhes construtivos de mesma natureza para nãosobrecarregá-la.

Uma válvula de chapeleta anti-retorno E5 é montada no corpode recirculação E6 entre a parte Pll (recirculação) da câmara Plea primeiracavidade E61. Uma perfuração P6 faz a primeira cavidade E61 se comunicarcom a terceira cavidade E63. Por outro lado, uma bomba de recirculação E8h(figuras 5 e 10) é montada no bloco estrutural Bl de modo a que seu ladoaspiração se comunique com a parte Pl 1 da câmara Plh e seu lado recalque secomunique com a primeira cavidade E61. A título puramente ilustrativo, épossível utilizar tanto no lado do oxigênio quando do lado do hidrogênio umabomba de membrana. Vantajosamente, um só motor elétrico E14 acionasimultaneamente as duas bombas de membranas E8h e E8o.

A eletroválvula E2 se comunica (na parte de cima nas figuras11 e 13, quer dizer a jusante em relação à circulação do gás) com um rasgoque chega a um convergente-divergente que forma dispositivo de feitoVenturi. A cavidade E63 se comunica com a zona exterior ao convergente.

O hidrogênio gasoso chega pelo conector Clh e atravessa acanalização de alimentação P2h da célula de gás hidrogênio onde ele éaquecido em contato com a placa de extremidade mantida na temperatura defuncionamento da célula de combustível. O gás é encaminhado pelacanalização de alimentação P2h para o corpo de recirculação E6h. O gáschega (sob uma pressão regulada pela válvula E2h) na câmara P12h. É fixadoum valor de referência de pressão para a parte superior P12h da câmara Plh.Trata-se de fato da pressão desejável na entrada do empilhamento A decélulas elementares.

O gás recirculado é constituído pelo excedente de gás nãoconsumido que sai da célula pelo orifício P5h (figura 11). Quando chega naparte Pllh da câmara Plh, a água líquida eventualmente presente no gás caipor gravidade dentro do receptáculo E7h. Os eventuais resíduos de água sãoevacuados para o exterior do sistema acionando-se para isso a eletroválvulaElOh por exemplo em intervalos regulares. O gás recirculado passa pelaválvula de chapeleta anti-retorno E5h para ter acesso à cavidade E61, de ondeele pode passar livremente para a cavidade E63. O dispositivo de efeitoVenturi V forma o meio que permite misturar o gás novo presente dentro dacavidade E62 e o gás recirculado presente dentro da cavidade E63 e quepermite encaminhar a mistura para a parte P12h da câmara Plh e depois parao orifício P7h.

Com pouca potência, a recirculação do gás pelo efeito Venturinão é mais suficiente, e a bomba de recirculação E8h é colocada em função.Ela aspira o gás na parte Pl Ih da câmara Plh, e o lança na cavidade E61 dacâmara Plh. Nessas condições, a válvula de chapeleta anti-retorno E5h éfechada.

Assim, partindo-se de baixo para cima, é possível distinguirvários estágios na câmara Plh: um primeiro estágio embaixo do orifício P5h,um segundo estágio entre o orifício P5h e o corpo de recirculação, um terceiroestágio que corresponde à segunda cavidade E62, um quarto estágio quecorresponde à terceira cavidade E63 e um quinto estágio entre o corpo derecirculação e o orifício P7h. Um sensor de pressão Eh3 (figura 5) é montadono bloco estrutural para elevar a pressão que existe nesse 5o estágio.

Acabou-se de descrever como é possível integrar a uma placade extremidade o sistema de gestão do hidrogênio que alimenta uma célula decombustível. De preferência, a placa de extremidade B compreende umasegunda câmara Pl que permite uma disposição semelhante à disposição daprimeira câmara Plh, o circuito de gás associado a uma (Plh) das câmarassendo o circuito de hidrogênio e o circuito de gás associado à segunda Plodas câmaras sendo o circuito de oxigênio (aqui oxigênio puro).

Circuito de gás oxigênio (ver essencialmente as figuras 12 e 13)

O sistema de oxigênio é idêntico ao sistema hidrogênio, excetoos seguintes pontos:

a. as purgações são feitas diretamente na atmosfera via aeletroválvula ElOo (figura 5). Para isso, a parte de cima da perfuração P3o émunida de um filtro E20 que deixa o oxigênio sair livremente. Um tampãoEl5 separa a parte de cima e a parte de baixo da perfuração P3o. A parte debaixo da perfuração P3o é utilizada para evacuar a água do receptáculo E7o.

b. no lado catodo (oxigênio), há uma produção grande de águasob a forma líquida. Essa água que sai da célula cai por gravidade no fundo deum receptáculo E7o. Uma bóia El7 comanda a abertura El8 da entrada dotubo mergulhante E19. Esse tubo mergulhante El9 é ligado à perfuração P9oe depois à perfuração P30. Daí, a água é encaminhada via o conector C2o parao exterior do sistema.

Parte elétrica (ver essencialmente a figura 5)

As funções do sistema são controladas de maneira elétrica.Para isso, é possível vantajosamente instalar na proximidade ou sobre a placade extremidade de acordo com a invenção um módulo eletrônico E25 degestão da célula de combustível. De preferência, a placa de extremidade deacordo com a invenção sustenta também um conector de pinos múltiplos C4para ligar ao exterior o módulo eletrônico de gestão E25. A unidade decontrole E25 é colocada na parte de cima do bloco estrutural B1. Ela recebeas informações dos diferentes sensores (lista não exaustiva: sensores depressão E3h e E3o, medida de corrente E21, detector de taxas de hidrogênioE26, ...). A unidade de controle recolhe essas informações e age sobre osdiferentes órgãos (bobinas dos reguladores de pressão E2h e E2o,eletroválvulas de purgação El0h e El0o, motor de bomba E14, contactor desegurança E22). De preferência, a placa de extremidade de acordo com ainvenção compreende por outro lado dois conectores elétricos C3 de potênciadestinados à corrente fornecida pela célula de combustível. Finalmente, deacordo com um modo de realização preferido, o conjunto dos conectoreselétricos e conexões de alimentação com gás ou com fluido portador de calorsão dispostos de modo a poder ser acoplados por um só movimento linear deaproximação relativa entre a dita placa e um suporte S destinado a receber amesma (ver a figura 5).

A figura 14 ilustra uma variante de realização da invenção naqual tanto a placa de extremidade B' quanto a placa de extremidade b'compreendem elementos de gestão dos fluidos utilizados pela célula. Porexemplo, a gestão do fluido portador de calor é integrada a uma das placas deextremidade e a gestão dos gases é integrada à outra das placas deextremidade. Isso pode facilitar a implantação de um termostato E29w e deuma bomba de circulação E30w do fluido portador de calor como ilustradonas figuras 15 e 16. A figura 15 esquematiza a configuração do termostatoE29w quando a célula deve ser resfriada. O fluido portador de calor queatravessou o empilhamento A é enviado para o exterior para um radiador. Afigura 16 esquematiza a configuração do termostato E29w quando a célulaestá fria. O fluido portador de calor que atravessou o empilhamento édiretamente retomado pela bomba para circular em circuito fechado somenteno interior do empilhamento a fim de tornar homogêneo seu aquecimentoprogressivo.

Em conclusão, será destacado que o interesse da invençãoreside notadamente na supressão de numerosas conexões, junções, juntas ousoldaduras, fontes de não confiabilidade além dos custos de realizaçãoindustrial que isso acarreta. O esquema do ou dos sistemas de gestão do oudos fluidos não é em si abordado pela presente invenção. De acordo com odepositante, o princípio de realização de uma placa de sistema compactaexposto aqui parece compatível com numerosos esquemas de sistema degestão de fluido, se não for com todos, admitindo-se a possibilidade de quecertos elementos não sejam integrados ou montados em uma tal placa deextremidade. A invenção facilita também a substituição do empilhamento decélulas eletroquímicas recuperando para isso a ou as placas de extremidade,por exemplo prevendo uma conexão por um sistema de montagem rápidacapaz de desenvolver uma pressão de contato suficiente entre empilhamento eplaca de extremidade como por exemplo um sistema de junta articulada. Umaplaca - sistema de acordo com a invenção poderia também ser adaptada paraconectar e ser inserida entre dois empilhamentos de células elementares.

Claims

1. Placa de extremidade (B) para célula de combustível, aplaca de extremidade compreendendo um bloco estrutural (Bl) quecompreende uma face interior (BlO) destinada a ser colocada em apoio contraum empilhamento de células elementares, que compreende uma face exterior(BI 1) oposta à face interior e uma ou várias face(s) periférica(s) (BI2), a faceinterior compreendendo pelo menos dois orifícios (P5 e P7) destinados àalimentação de um circuito situado na célula para um gás, o bloco estrutural(Bl) compreendendo uma primeira câmara (Pl) e compreendendo umacanalização de alimentação (P2) que chega em uma parede da câmara (PI),caracterizada pelo fato de que:• a primeira câmara (Pl) é disposta entre a face interior (BlO)e a face exterior (BI 1), e é delimitada no lado da face interior (BlO) e da faceexterior (BI 1) por uma parede (PIO) do bloco estrutural (BI), a câmara sendoalongada sensivelmente paralelamente à face interior (B10), a câmara (Pl)desemboca em uma face periférica (BI2), a câmara (Pl) sendo delimitada porpelo menos um tampão (El2) montado na dita face periférica (BI2);• um corpo de recirculação (E6) é montado no interior dacâmara (PI), posicionado lá onde chega a canalização de alimentação (P2), ocorpo de recirculação (E6) sendo montado de modo estanque na parede dacâmara para separar a câmara (Pl) em uma parte de recirculação do gás (PI 1)que chega a um (P5) dos orifícios e uma parte de alimentação (PI2) que chegaao outro (P7) dos orifícios, o corpo de recirculação (E6) compreendendo umelemento de mistura que permite misturar o gás novo que provém dacanalização de alimentação (P2) e o gás que provém da parte de recirculação(PI 1) e que permite encaminhar a mistura para o outro orifício (P7).

2. Placa de extremidade de acordo com a reivindicação 1caracterizada pelo fato de que a câmara (Pl) atravessa todo o bloco estrutural(Bl) e desemboca em faces periféricas (Bl)2 opostas, a câmara (Pl) sendodelimitada por dois tampões (El2) montados cada um deles em uma das facesperiféricas (BI2).

3. Placa de extremidade de acordo com a reivindicação 1 ou 2caracterizada pelo fato de que todas as canalizações de alimentação e deevacuação (P2, P3) são dispostas entre a face interior (BlO) e a face exterior(Bll), são alongadas sensivelmente paralelamente à face interior (B10), edesembocam na mesma face periférica (BI2) que a câmara (PI).

4. Placa de extremidade de acordo com uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que a câmara (Plh) é delimitada, em suaextremidade oposta ao corpo de recirculação (E6h), por um receptáculo (E7h)de coleta de água, e compreende um tubo mergulhante de purgação (E27)instalado no receptáculo de água (E7h) e ligado a uma eletroválvula depurgação (E10).

5. Placa de extremidade de acordo com uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que a câmara (Plo) é delimitada, em suaextremidade oposta ao corpo de recirculação, por um receptáculo (E7o) decoleta de água, e compreende um tubo mergulhante (El9) para a evacuaçãoda água produzida, cuja abertura é comandada por uma bóia (El7).

6. Placa de extremidade de acordo com uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que ela compreende uma canalização auxiliar(P3) que desemboca em um orifício de purgação, a dita canalização auxiliarsendo disposta sensivelmente paralelamente à canalização de alimentação(P2), e conectada a essa última pelo menos via uma válvula de chapeleta desobrepressão (El).

7. Placa de extremidade de acordo com uma das reivindicações 1 a 6, caracterizada pelo fato de que ela compreende uma segunda câmara quepermite uma disposição semelhante à disposição da primeira câmara, ocircuito de gás associado a uma (Plh) das câmaras sendo o circuito dehidrogênio e o circuito de gás associado à outra (Plo) das câmaras sendo ocircuito de ar ou de oxigênio.

8. Placa de extremidade (B) para célula de combustível, aplaca de extremidade compreendendo um bloco estrutural (Bl) quecompreende uma face interior (BlO) destinada a ser colocada em apoio contrao dito empilhamento, a face interior compreendendo pelo menos dois orifícios(P5w e P7w) destinados a ser ligados a um circuito situado na célula para umfluido portador de calor, caracterizada pelo fato de que o bloco estrutural (Bl)compreende uma câmara (Plw) que forma reservatório de alimentação comfluido portador de calor, que permite a disposição seguinte:• a câmara que forma reservatório é delimitada por uma ouvárias paredes do bloco estrutural (BI);• a câmara que forma reservatório se estende entre os ditosdois orifícios;• uma platina (Ellw) é posicionada e montada no interior dacâmara que forma reservatório, de modo estanque na parede da câmara, ecompreende meios para assegurar a circulação do fluido portador de calorseletivamente para os ditos orifícios.

9. Placa de extremidade de acordo com a reivindicação 8caracterizada pelo fato de que a câmara (Plw) é delimitada por pelo menosum tampão (E12w) montado na face periférica (B12).

10. Placa de extremidade de acordo com uma dasreivindicações 8 ou 9, caracterizada pelo fato de que a platina (E11w) formaum tampão que obtura a câmara (Plw) em uma de suas extremidades.

11. Placa de extremidade de acordo com uma dasreivindicações 8 a 10, caracterizada pelo fato de que a platina (E11w)compreende uma câmara interna (P60w) que se comunica com o orifício(P5w) e com uma conexão (C2w).

12. Placa de extremidade de acordo com a reivindicação 11,caracterizada pelo fato de que um tubo (E61w) do qual a parede compreendemúltiplos orifícios é montado na platina (Ellw) e se estende sensivelmenteem todo o comprimento da dita câmara que forma reservatório.

13. Placa de extremidade de acordo com uma dasreivindicações 8 a 12, caracterizada pelo fato de que ela compreende, além dacâmara (Plw) que forma reservatório de alimentação com fluido portador decalor, uma primeira (Plh) e uma segunda (Plo) câmara que permitem umadisposição de acordo com uma das reivindicações 1 a 7.

14. Placa de extremidade de acordo com uma dasreivindicações 1 a 13, caracterizada pelo fato de que ela compreende poroutro lado dois conectores elétricos de potência (C3) destinados à correntefornecida pela célula de combustível.

15. Placa de extremidade de acordo com uma dasreivindicações 1 a 14, caracterizada pelo fato de que o conjunto dosconectores elétricos e conexão de alimentação com gás ou com fluidoportador de calor são dispostos de modo a poder ser acoplados por um sómovimento linear de aproximação relativa entre a dita placa e um suporte Sdestinado a receber a mesma.

16. célula de combustível (FC) caracterizada pelo fato de queela compreende um empilhamento (A) de placas bipolares e de membranastrocadoras de íons dispostas em alternância, o empilhamento (A) sendocontido entre duas placas de extremidade (B e C), uma das placas deextremidade sendo de acordo com uma das reivindicações 1 a 15.

17. célula de combustível de acordo com a reivindicação 16,caracterizada pelo fato de que elementos para controlar certos parâmetros defuncionamento são montados sobre ou integrados em uma das placas deextremidade.

18. célula de combustível de acordo com a reivindicação 17,caracterizada pelo fato de que elementos para reciclar os gases nãoconsumidos pela célula são montados sobre ou integrados em uma das placasde extremidade.

19. célula de combustível de acordo com a reivindicação 18,caracterizada pelo fato de que elementos para eliminar a água produzida pelacélula são montados sobre ou integrados em uma das placas de extremidade.

20. célula de combustível de acordo com a reivindicação 19,caracterizada pelo fato de que elementos para distribuir um fluido portador decalor são montados sobre ou integrados em uma das placas de extremidade.