BRPI0707399A2 - gaxeta, método para vedar uma célula de combustìvel, e, célula de combustìvel - Google Patents

Abstract

GAXETA, MéTODO PARA VEDAR UMA CéLULA DE COMBUSTìVEL, E, CéLULA DE COMBUSTìVEL. Uma gaxeta formada de material compressível tendo uma primeira superficie de vedação e uma segunda superfície de vedação para prover uma vedação de fluido entre um primeiro componente e um segundo componente, uma pluralidade de cavidades provida dentro da gaxeta próximo das primeira e/ou segunda superficies de vedação e se estendendo sobre, pelo menos, uma primeira porção da gaxeta para prover compressibilidade aumentada da gaxeta na primeira porção.

Description

"GAXETA MÉTODO PARA VEDAR UMA CÉLULA DECOMBUSTÍVEL, E, CÉLULA DE COMBUSTÍVEL"

A presente invenção refere-se a gaxetas e, em particular, agaxetas para uso em conjuntos de células de combustível.

Células de combustível eletroquímicas convencionaisconvertem o combustível e o oxidante em energia elétrica e em um produto dereação. Um arranjo típico de uma célula de combustível convencional 10 estámostrado na figura 1 que, para maior clareza, ilustra as várias camadas deforma explodida. Uma membrana de polímero sólido de transferência iônica11 é imprensada entre um anodo 12 e um catodo 13. Tipicamente, o anodo 12e o catodo 13 são, ambos, formados de um material eletricamente condutor,poroso como carbono poroso, ao qual partículas pequenas de um catalisadorde platina e/ou outro metal precioso estão ligadas. O anodo 12 e o catodo 13são ligados, freqüentemente, diretamente às respectivas superfícies adjacentesda membrana 11. Esta combinação á geralmente referida como o conjunto demembrana-eletrodo, ou MEA.

A membrana de polímero e as camadas de eletrodo porosoficam imprensadas entre uma placa anódica de campo de fluxo de fluido 14 euma placa catódica de campo de fluxo de fluido 15. Camadas intermediáriasde reforço 12a e 13a podem, igualmente, ser empregadas entre a placaanódica de campo de fluxo de fluido 14 e o anodo 12 e, similarmente, entre aplaca catódica de campo de fluxo de fluido 15 e o catodo 13. As camadas dereforço são de natureza porosa e fabricadas para assegurar a difusão eficaz dogás das, e, para as superfícies do anodo e do catodo, bem como, para ajudarno controle do vapor de água e da água líquida.

As placas de campo de fluxo de fluido 14, 15 são formadas deum material eletricamente condutor não poroso, pelo qual pode ser feitocontato elétrico com o respectivo eletrodo do anodo 12 ou eletrodo do catodo13. Ao mesmo tempo, as placas de campo de fluxo de fluido facilitam adescarga e/ou exaustão do combustível fluido, oxidante e/ou do produto dereação para, ou, dos eletrodos porosos 12, 13. Isto é efetuadoconvencionalmente formando-se passagens de fluxo de fluido em umasuperfície das placas de campo de fluxo de fluido, como sulcos ou canais 16na superfície apresentada aos eletrodos porosos 12, 13.

Com referência, também, à figura 2(a), uma configuraçãoconvencional de canal de fluxo de fluido provê uma estrutura de serpentina 20em uma face do anodo 14 (ou do catodo 15) tendo um distribuidor de entrada21 e um distribuidor de saída 22 como mostrado na figura 2(a). De acordocom o projeto convencional, deverá ser entendido que a estrutura deserpentina 20 compreende um canal 16 na superfície da placa 14 (ou 15),enquanto os distribuidores 21 e 22 compreendem, cada um, uma aberturaatravés da placa, de modo que fluido a ser descarregado na, ou, expelido pelocanal 20 possa ser comunicado por toda a espessura de uma pilha de placas,em uma direção ortogonal à placa, como particularmente indicado pela seta nasecção transversal em A-A mostrada na figura 2(b).

Com referência a figura 3, nos conjuntos de células decombustível convencionais 30, são montadas pilhas de placas. Neste arranjo,placas catódicas e anódicas de campo de fluxo de fluido adjacentes sãocombinadas de maneira convencional para formar uma única placa bipolar 31tendo os canais de anodo 32 em uma face e os canais de catodo 33 na faceoposta, cada uma junto a um conjunto respectivo de membrana-eletrodo(MEA) 34. As aberturas do distribuidor de entrada 21 e as aberturas dodistribuidor de saída 22 são todas cobertas para prover distribuidores deentrada e saída a toda a pilha. Os vários elementos da pilha estão mostradosligeiramente separados para maior clareza, embora se compreenda que, paraas finalidades da presente invenção, estarão mutuamente comprimidos,usando-se gaxetas de vedação.

Referindo-nos à figura 4, uma face de anodo de um conjuntode membrana-eletrodo 40 está coberta com uma gaxeta de vedação 41 aoredor de seu perímetro. A gaxeta de vedação 41 inclui duas aberturas 42, 43ao redor de uma porta de entrada de fluido 44 e de uma porta de saída defluido 45 na periferia da face de anodo da MEA 40. Uma placa anódicaeletricamente condutora 46 (mostrada em esboço tracejado na figura 4b eligeiramente separada para maior clareza, mas omitida na figura 4a pararevelar as estruturas subjacentes) recobre a gaxeta de vedação 41.

A face de anodo da MEA 40, a gaxeta de vedação 41 e a placaanódica 46 definem, em conjunto, um volume de retenção de fluido 47 entre aporta de entrada de fluido 44 e a porta de saída de fluido 45. O volume deretenção de fluido é efetuado pela impermeabilidade da placa anódica 46 e dagaxeta de vedação 41 junto com a permeabilidade limitada da MEA (isto é,permitindo apenas, substancialmente, o fluxo de íon). Dentro deste volume deretenção 47 é colocada uma lâmina de material difusor 48. A lâmina dematerial difusor é cortada em uma forma que resulte na formação de um oumais plenums 49, 50 definidos entre uma borda lateral 51, 52 da lâmina 48 e agaxeta de vedação 41. Mais particularmente, como mostrado na figura 4, oprimeiro plenum 49 constitui um plenum de entrada que se estende ao redorde uma porção principal da borda lateral periférica 51 da lâmina 48 domaterial difusor (isto é, a maior parte dos três lados). O segundo plenum 50constitui um plenum de saída que se estende ao redor de uma porção menorda borda lateral periférica 52 da lâmina 48 do material difusor.

Gaxetas convencionais, sendo uniformes na espessura ecomposição, normalmente são suficientes quando as superfícies de vedaçãosão uniformemente planas e paralelas. Compressão uniforme aplicada sobreas superfícies de vedação pode, deste modo, prover uma vedação adequada.Entretanto, em certas circunstâncias o uso de uma gaxeta convencional podenão ser ótimo. Por exemplo, quando características de superfície comocomponentes adicionais tenham que ser incluídos em uma superfície devedação, a compressibilidade uniforme de uma gaxeta resultará em umapressão não uniforme ao longo da área da gaxeta. Regiões de distânciareduzida entre superfícies de vedação, por exemplo, devido às saliências dasuperfície, estarão sujeitas a pressões mais altas, e regiões de distânciaaumentada entre superfícies de vedação, por exemplo, circundando estassaliências, estarão sujeitas a pressões correspondentemente mais baixas. Istopode reduzir a confiabilidade e/ou eficácia de uma vedação. Do mesmo modo,uma gaxeta convencional pode ter uma tendência de inchar nas bordas da áreade vedação sob pressão, deslocando o material da gaxeta para fora da área devedação.

Para um material de gaxeta convencional, podeconseqüentemente, ser necessárias altas pressões para assegurar que umavedação adequada seja obtida. Para gaxetas finas em particular, a pressãoexigida pode mesmo ser maior, uma vez que a compressibilidade da gaxeta éreduzida. Alternativamente, podem ser aumentadas as exigências para que assuperfícies de vedação tenham limites de tolerância de planeza e paralelismomais elevado.

Sob altas pressões, uma gaxeta pode igualmente ser sujeita aoarraste de material que, com o tempo, pode reduzir a eficácia da vedação. Estaredução da eficácia também pode ser agravada pela reciclagem térmica.

Uma solução para os problemas acima mencionados é criargaxetas tridimensionais projetadas, moldadas especificamente paraconformar-se às superfícies contornadas. Entretanto, estas gaxetas, podem tercusto proibitivo e, sendo de espessura variável, podem, ainda assim, nãoprover uma vedação suficientemente uniforme em determinadascircunstâncias como no exemplo das células de combustível aqui apresentado.

Outra solução é aumentar a compressibilidade do material dagaxeta, de modo a acomodar superfícies não uniformes e permitir umapressão de vedação reduzida. Estas gaxetas podem, entretanto, ter aumentadauma tendência indesejável de se deslocar para fora da área de vedação.

Há, por conseguinte, necessidade de uma gaxeta que possavedar eficazmente contra superfícies não uniformes, que tenha uma tendênciareduzida de se deslocar para fora da área de vedação, e que possa vedar sobpressões de vedação mais baixas e que tenha custo de manufatura reduzidocomparado ao das gaxetas tridimensionais projetadas.

E um objetivo da presente invenção prover uma gaxeta quesupere um ou mais dos problemas das gaxetas da técnica anterior.

De acordo com um primeiro aspecto, a presente invençãoprovê uma gaxeta formada de material compressível e tendo uma primeirasuperfície de vedação e uma segunda superfície de vedação para prover umavedação de fluido entre um primeiro componente e um segundo componente,uma pluralidade de cavidades providas próximo a primeira e/ou segundasuperfícies de vedação e se estendendo sobre, pelo menos, uma primeiraporção da gaxeta para prover compressibilidade aumentada da gaxeta naprimeira porção.

De acordo com um segundo aspecto, a presente invençãoprovê um método para vedar uma célula de combustível, compreendendo:prover uma gaxeta formada de material compressível tendo uma primeirasuperfície de vedação e uma segunda superfície de vedação e uma pluralidadede cavidades próximo a primeira e/ou segunda superfícies de vedação e seestendendo sobre, pelo menos, uma primeira porção da gaxeta para provercompressibilidade aumentada da gaxeta na primeira porção; posicionar agaxeta entre uma placa de campo de fluxo de fluido e um conjunto demembrana-eletrodo; e aplicar pressão compressiva entre a placa de campo defluxo de fluido e o conjunto de membrana-eletrodo ao longo da gaxeta paraprover uma vedação de fluido entre eles.

De acordo com um terceiro aspecto, a presente invenção provêuma célula de combustível que compreende: um conjunto de membrana-eletrodo; uma placa de campo de fluxo de fluido; e uma gaxeta de acordo como primeiro aspecto.

Vantagens da invenção, em comparação com gaxetasconvencionais, podem incluir uma redução na carga total aplicada necessáriapara formar uma vedação, uma capacidade melhorada da gaxeta de manteruma vedação após reciclagem termal, e uma capacidade de vedar ao redor dassaliências de superfície em uma ou ambas, as superfícies de vedação.

Modos de realização da presente invenção serão descritosagora, como exemplo, e em referência aos desenhos de acompanhamento nosquais:

Figura 1 mostra uma vista esquemática em seção transversalatravés de uma parte de uma célula de combustível convencional;

Figuras 2(a) e 2(b) mostram, respectivamente, uma vistasimplificada no plano e secional de uma placa de campo de fluxo de fluido dacélula de combustível da figura 1;

Figura 3 mostra uma vista em seção transversal através de umapilha de células de combustível convencional com placas bipolares;

Figura 4a mostra uma vista no plano de uma configuração deanodo tendo uma lâmina de material difusor posicionada em relação a umagaxeta de vedação e portas de entrada e saída de fluido e a figura 4b mostrauma vista lateral secional correspondente na linha A-A;

Figura 5 mostra uma vista em perspectiva da construção departe de uma gaxeta da presente invenção;

Figura 6 mostra uma vista em seção transversal de uma porçãode uma gaxeta de um modo de realização da presente invenção;

Figura 7 mostra uma vista esquemática em seção transversalde uma porção de uma gaxeta de acordo com um modo de realização dapresente invenção quando sob uma pressão aplicada;

Figura 8 mostra uma vista no plano de uma estrutura de redede células fechadas de cavidades de uma gaxeta de acordo com um modo derealização preferido da invenção;

Figura 9 mostra uma vista no plano de uma estrutura de redede células fechadas de cavidades de uma gaxeta de acordo com um modo derealização preferido da invenção, com cavidades de canais de distribuição defluido adicionais;

Figura 10 mostra uma vista no plano de uma estruturaalternativa de rede de células fechadas de cavidades de uma gaxeta de acordocom um modo de realização preferido da invenção;

Figura 11 mostra uma vista no plano de uma configuração deanodo tendo duas porções de material de gaxeta diferentemente projetadas;

Figura 12 mostra uma vista em perspectiva de umaconfiguração alternativa de gaxeta compreendendo regiões de células abertase fechadas;

Figura 13 mostra uma vista no plano de uma configuraçãoalternativa adicional de gaxeta compreendendo regiões de células abertas e fechadas;

Figura 14 mostra uma vista no plano de uma configuraçãoalternativa adicional de gaxeta compreendendo uma porta de fluido junto comregiões de células abertas e fechadas

Figura 15 mostra uma vista no plano de uma configuraçãoalternativa de uma gaxeta compreendendo uma porta de fluido, canais dedescarga de fluido e em conexão fluídica com um distribuidor de fluidoexterno.

Projetos convencionais de placas anódicas e catódicas de fluxode fluido incorporando canais de fluxo de fluido nas faces já foram discutidosem conexão com as figuras 1 a 3, e o arranjo de uma gaxeta típica para usocom estas placas em relação à figura 4.

A figura 5 ilustra uma porção representativa de uma gaxeta 53da presente invenção. A gaxeta 53 tem uma primeira superfície de vedação 54e uma segunda superfície de vedação 55. Uma primeira pluralidade decavidades 56 é provida dentro da gaxeta 53 na primeira superfície de vedaçãoe se estendendo sobre a porção da gaxeta. Neste modo de realizaçãoparticular, as cavidades 56 se estendem em um arranjo regular sobre a porçãoda gaxeta 53 mostrada. É igualmente mostrada uma segunda pluralidade decavidades 57 providas dentro da gaxeta na segunda superfície de vedação 55,sendo, neste modo de realização, substancialmente similar no tamanho earranjo à primeira pluralidade de cavidades.

Embora as cavidades 56 sejam mostradas na figura 5 comosendo providas na superfície 54, em outros modos de realização elas podemser providas sob a superfície 54, mas suficientemente perto da superfície demodo a influenciar a compressibilidade local da superfície através daespessura da gaxeta 53.

A superfície de vedação 54, 55 da gaxeta é definida comosendo a superfície que entra em contato com a superfície do componente noqual a gaxeta deve ser vedada. Conseqüentemente, a superfície de vedaçãogeralmente não inclui a superfície interior das cavidades 56, 57. Entretanto,quando a pressão aplicada à gaxeta 53 é aumentada, uma proporção dasuperfície interior das cavidades 56, 57 pode tornar-se parte da superfície dagaxeta de vedação 53, cuja proporção aumenta com o aumento da pressãoaplicada.

O termo "densidade de cavidade" é usado aqui como umamedida do número de cavidades presentes sobre qualquer área definida dagaxeta 53. A densidade de cavidade sobre uma primeira superfície de vedação54 de uma porção de gaxeta 53 pode ser diferente da densidade de cavidadesobre uma segunda superfície de vedação 55 da mesma porção de gaxeta 53.Por exemplo, se a área da superfície de vedação 54 da gaxeta 53 da figura 5 é1cm2 e o número de cavidades é 36, a densidade de cavidade na primeirasuperfície de vedação é 36cm"2.

O termo "volume de cavidade" como usado aqui é o volumetotal de vazio de qualquer cavidade dada, que possa ser proveitosamente dadoem termos de um número médio para cavidades na gaxeta 53 ou para umadeterminada região dela.

Será reconhecido que a densidade de cavidade e o volume decavidade em uma região da gaxeta determinarão, cada um deles, pelo menosem parte, a compressibilidade dessa região da gaxeta.

Pretende-se que o termo "material compressível" abranja osmateriais sólidos que possam ser significativamente deformados sob pressãocompressiva aplicada, e cujas propriedades mecânicas físicas possam sercaracterizadas por uma combinação de deformação elástica, isto érecuperável, e plástica, isto é permanente e não recuperável, sob uma pressãoaplicada. Efeitos dependentes do tempo tais como o arraste e a visco-elasticidade podem igualmente definir, em parte, as propriedades do materialcompressível.

Um aumento na compressibilidade de uma região da gaxetacorresponderá a uma redução na pressão necessária para comprimir aespessura total dessa região pelo mesmo grau. De modo alternativo, a mesmapressão aplicada fará com que a espessura total dessa região seja reduzida porum grau maior.

Na figura 6 é mostrada uma vista em seção transversal de umarranjo assimétrico alternativo das cavidades 62, 63 em uma gaxeta 61 dapresente invenção, na qual os volumes de cavidade são diferentes na primeirasuperfície de vedação 65 e segunda superfície de vedação 64. As cavidades 62próximo da primeira superfície de vedação 64 são de dimensões diferentesdas cavidades 63 próximo da segunda superfície de vedação 65. O resultadodeste tipo de variação no volume de cavidade será que o material da gaxeta 66entre as cavidades maiores 63 será capaz de comprimir mais do que o materialda gaxeta 67 entre as cavidades menores 62 sob a mesma pressão aplicada.

Efeito similar àquele mostrado na figura 6 pode ser obtido se,em vez de alterarmos o volume médio da cavidade abaixo de cada uma dasprimeira 64 e segunda 65 superfícies de vedação, alterar o espaçamento entreas cavidades e, deste modo, afetando a densidade de cavidade.

A densidade de cavidade e/ou volumes de cavidade podem serdiferentes em, pelo menos, porções de superfície opostas selecionadas dagaxeta próximo das primeira 64 e segunda 65 superfícies de vedação, asporções de superfície opostas sendo regiões selecionadas das primeira 64 esegunda 65 superfícies de vedação que são substancialmente co-extensivasem superfícies de vedação opostas da gaxeta 61.

Neste arranjo assimétrico na gaxeta 61 da figura 6, aspropriedades de adesão da superfície podem ser conseqüentemente induzidaspara uma superfície. A área de contato de uma superfície de vedação 64 dagaxeta 61 comparada à outra superfície de vedação 65 tenderá a preferir aaderência a uma superfície em vez da outra, sem necessidade de adesivos oupreparação de superfície.

Mostrado na figura 7 está uma vista esquemática em secçãotransversal do comportamento desta gaxeta 61 sob compressão entre umcomponente superior 77 e um componente inferior 76. A gaxeta 61 é situadaentre duas superfícies de componentes 74, 75. Na superfície componente maisbaixa 74 está situada uma característica de superfície 73, que se projeta parafora do plano da superfície de componente 74. Aplicando-se pressão nosentido indicado pela seta 71 faz com que o material da gaxeta na região decompensação 72 comprima mais do que o material fora da região decompensação. Compressão adicional da gaxeta começa dentro do própriovolume da gaxeta, e não causa protuberância adicional ao redor do perímetroexterno da gaxeta 61. As cavidades 63 permitem que o material circunvizinhoda gaxeta dentro da região de compensação 72 se projete nas cavidades 63 aolongo de direções ortogonais à direção de aplicação da força. A característicade superfície 73 poderia, por exemplo, ser uma lâmina ou cunha de materialrelativamente incompressível, como uma lâmina de distribuição de água,posicionada para cobrir regiões selecionadas da placa de fluxo de fluido. Umavez que a gaxeta 61 é capaz de se deformar compressivelmente ao redor dacaracterística de superfície 73, a vedação ao redor da característica desuperfície não é comprometida por sua presença.

A gaxeta 53, 61 da presente invenção pode compreenderpreferivelmente as cavidades retangulares 56, 57, 62, 63 arranjados em umarranjo regular, por exemplo, espaçadas em padrão quadradosubstancialmente uniforme, como mostrado na figura 5. Outros tipos depadrões de repetição regulares, como padrões hexagonais ou triangulares sãoigualmente previstos. Padrões não repetitivos ou distribuições aleatórias decavidades, que podem igualmente ser caracterizados por uma densidade decavidade e por um volume médio de cavidade, são igualmente previstos paraestar dentro do escopo da invenção.

Deve ser compreendido que o termo "cavidades" pretendeabranger definições que se aplicam aos arranjos de cavidades isoladasindividualmente ao longo de uma gaxeta, bem como, arranjos de cavidadesinterconectadas formadas dentro de arranjos de colunas individualmenteisoladas ou de outras características levantadas. Uma gaxeta da presenteinvenção pode compreender um ou ambos os tipos de cavidades ao longo de,pelo menos, uma porção de uma ou ambas as superfícies de vedação.

Prevê-se que uma variedade de materiais de gaxetaconvencionais pode ser usada na presente invenção, tal como silicone, nitriloou borrachas butílicas. Entretanto, outros materiais, tais como PTFEexpandido, podem igualmente ser usados.

A espessura da gaxeta é preferivelmente menos de IOmm.Mais preferencialmente, a espessura da gaxeta não comprimida encontra-seentre 0,1 e 3mm, e ainda mais preferencialmente, entre 0,1 e lmm.

Preferivelmente, o volume médio das cavidades 56, 57, 62, 63é menos do que 5mm , e mais preferencialmente dentro da faixa de 0,001 almm3. De preferência as cavidades têm forma substancialmente cúbica,embora possam ter qualquer forma apropriada, e têm, igualmente, depreferência uma dimensão linear média dentro da faixa de 0,1 a lmm.

As cavidades de uma gaxeta 53, 61 da presente invenção sãoformadas preferivelmente aplicando-se uma textura à superfície(s) de umagaxeta de espessura uniforme. Esta texturização pode ser executada pormoldagem por compressão da gaxeta, por exemplo, entre prensas modeladassob condições de calor e pressão de modo a deformar plasticamente o materialda gaxeta na, forma exigida. Alternativamente, várias técnicas conhecidas naarte podem ser usadas para formar material da gaxeta da presente invenção,tais como fundição, moldagem por injeção ou laminação/calandragemusando-se cilindros texturizados.

Uma possível função adicional que as cavidades da presenteinvenção podem executar é a distribuição do fluido. Na figura 8 está mostradauma estrutura fechada de rede de células de cavidades em uma gaxeta deacordo com a presente invenção, com uma superfície de vedação 54 ecavidades isoladas 56. Alterando-se este projeto de modo que cavidadesselecionadas se estendam e se interconectem em vez de ficarem isoladas umada outra, podemos chegar a um arranjo como o mostrado na figura 9. Agaxeta 90 tem formada dentro dela como parte do padrão de cavidade umasérie de canais de alimentação de fluido interconectadas 91, 92, 94. Cada umdestes canais de alimentação de fluido, bem como, as cavidadescircunvizinhas 56, tem uma profundidade que se estende, pelo menos,parcialmente através da espessura da gaxeta 90. No caso em que a gaxeta éformada diretamente na placa de campo de fluxo de fluido, por exemplo, pormoldagem, os canais de alimentação de fluido podem se estender ao longo detoda a espessura da gaxeta.

Um canal de entrada de fluido 91 é conectado a umapluralidade de canais de saída de fluido 92 via canais de distribuição de fluido94. A direção preferida do fluxo de fluido quando em uso é indicado pelassetas 93. Conjuntamente com as aberturas 42, 43 providas na gaxeta 41, comomostrado na figura 4, o arranjo ilustrado na figura 9 pode ser projetado paradistribuir fluido da porta de entrada de fluido 44 pelas várias partes do plenum49 adjacente ao conjunto de membrana-eletrodo 40. O mesmo tipo de arranjopode ser igualmente aplicado a uma porta de saída de fluido 45.

A compressibilidade da gaxeta 90, que pode ser projetada viadensidade, profundidade e tamanho das cavidades 56, pode ser usada paracontrolar, até certo ponto, o grau com que os canais de alimentação de fluido91, 92, 94 são capazes de passar o fluido. Com uma pressão aplicadaaumentada ao longo da gaxeta 90, os canais de alimentação de fluido 91, 92,94 se tornarão mais restritas, tendendo a fechar os caminhos de fluido 93. Aretropressão na porta de entrada de fluido 44, desse modo, aumentará. Istopode ajudar a melhorar a precisão da distribuição do fluido através denumerosos conjuntos de membrana-eletrodo. A precisão e velocidade demedição do fluido podem, então, pelo menos parcialmente, ser controladaspela pressão aplicada através do conjunto de células de combustível 30compreendendo uma gaxeta 91 do tipo da figura 9. Componentes separadosque seriam, de outra maneira, necessários para executar estas funções podementão ser vantajosamente removidos.

Um arranjo alternativo de gaxeta está ilustrado na figura 10, noqual uma gaxeta 101 é provida com cavidades 103 arranjadas em um padrãode rede regular sob a superfície de vedação 102. Neste arranjo, a densidadee/ou volume de cavidade podem ser aumentados além daqueles possíveis noarranjo mostrado na figura 8 enquanto mantêm isolação do fluido de cadacavidade quando em uso. Outros tipos de arranjos de cavidade podemigualmente ser previstos, não restritos às cavidades quadradas ou a arranjos derede regulares, por exemplo, do tipo ilustrado. Por exemplo, cavidadescirculares podem ser vantajosas em termos da facilidade da fabricação. Outrasformas são igualmente possíveis.

As cavidades 56, 57, 62, 63 dentro de uma gaxeta 53, 61podem ser providas dentro de certas porções predeterminadas da gaxeta 53,61, de acordo com suas posições sobre a gaxeta 25 e a função que terão deexecutar. Na figura 11 está mostrado um arranjo exemplificativo de umaconfiguração de anodo com uma gaxeta 41 envolvendo um primeiro plenum49 e um segundo plenum 50 em um arranjo similar àquele mostrado na figura4. Uma primeira porção da gaxeta de vedação 41a é projetada, de acordo comos princípios ilustrados na figura 9 e detalhados acima, para ter canais dedistribuição de fluido 94 dentro da primeira porção 41a e com canais de saídade fluido 92 providas na porção do perímetro interno 110 da gaxeta 41 emcomunicação fluídica com o primeiro plenum 49. O canal de entrada de fluido91 da primeira porção 41a é coincidente com a porta de entrada de fluido 44na abertura 42 na gaxeta 41. O fluido que entra pelo canal de entrada de fluido91 é distribuído ao longo do perímetro interno 110 da gaxeta próximo aoprimeiro plenum 49, via canais de distribuição de fluido 94 providos dentroda primeira porção 41a da gaxeta 41. A segunda porção 41b da gaxeta 41 éprojetada, neste exemplo, da maneira ilustrada nas figuras 5 e 8, e detalhadaacima, de modo que o fluido saia do segundo plenum 50 via porta de saída defluido 45 situada em uma abertura 43 na gaxeta 41.

A distribuição de fluido através da gaxeta pode ser conseguidaprojetando-se regiões de células abertas da gaxeta. Na figura 12 está mostradoum exemplo desta gaxeta 120, compreendendo regiões de células fechadas122 e regiões de células abertas 121. O líquido pode fluir dentro das regiõesde células abertas ao redor das colunas 123, que são formadas, neste exemplo,como cilindros circulares ou ovais. As colunas 123 podem ser,alternativamente, cilindros de seção retangular ou poligonal, ou mesmo deseção variada como formas cônicas ou piramidais. O arranjo das colunas podeser de qualquer padrão de repetição ou não repetição apropriado ou pode serdistribuído aleatoriamente. Exemplos de padrões possíveis incluemempacotamento quadrado ou hexagonal regular ou padrões em ziguezague.

As colunas 123 podem ser formadas vantajosamente para serde uma altura selecionada de modo a ser diferentes daquela da regiãocircunvizinha de células fechadas. Escolhendo-se as colunas para, teremaltura reduzida permite que a distorção seja reduzida quando a gaxeta 120estiver sob pressão compressiva. A altura reduzida destas colunas podeigualmente servir para suportar os componentes que poderiam sobrepor-se àregião de células aberta. Escolhendo-se as colunas 123 para serem mais altasdo que a gaxeta circunvizinha resultará nas colunas sendo mais comprimidasdo que o material circunvizinho, o que pode ser usado na medição do fluxo defluido através da região de células abertas 121.

Como mostrado na figura 13, a região de células abertas 121pode compreender, ela própria, uma porta de entrada e/ou saída de fluidoneste exemplo consistindo em uma série de canais de fluido 131 seestendendo ao longo da gaxeta e limitados pelas regiões de células fechadas 122.

Como mostrado na figura 14, a gaxeta pode compreender umaporta de fluido 141, que pode ser para entrada ou saída de fluido. A porta defluido 141 é cercada por uma região de células fechadas 143, à exceção deonde a passagem de fluido através da gaxeta é exigida, onde há uma região dedescarga de fluido 142 compreendendo uma região de células abertas comona figura 12. Esta região de células abertas 142 pode compreender uma sériede canais de fluido ou pode compreender, alternativamente, uma pluralidadede cavidades interconectadas formadas entre colunas levantadas do materialda gaxeta.Deve ser compreendido que a gaxeta da presente invenção nãoprecisa ser de construção unitária, isto é, formada inteiramente de um tipo dematerial compressível, mas pode, em vez disto, ser formada de mais de umtipo de material. Por exemplo, a gaxeta pode consistir em uma primeiracamada de material compressível no qual as cavidades são providas e umasegunda camada subjacente de um material relativamente incompressível. Aprimeira camada pode ser aplicada por qualquer meio apropriado, porexemplo, por impressão de tela, laminação, moldagem ou outros processos.Um padrão na camada de material compressível pode, desse modo, definir oarranjo das cavidades ao longo de, pelo menos, uma porção de uma ou ambasas superfícies de vedação da gaxeta. Por exemplo, um padrão de borracha desilicone pode ser aplicado por impressão de tela a uma ou ambas assuperfícies de uma lâmina de poliéster, formando, desse modo, após a cura,uma camada de superfície elasticamente compressível. A camada desuperfície assim formada transmite propriedades de vedação melhorada àlâmina, que poderia se, de outra maneira, geralmente inadequada paraaplicações de vedação. Padrões como os ilustrados nas figuras 8-10 podem serpreferivelmente aplicados, embora qualquer padrão apropriadocompreendendo cavidades seja previsto.

Na figura 15 está mostrado outro arranjo alternativo de umagaxeta 150, no qual uma combinação de regiões de células fechadas e abertasé provida para formar regiões de descarga de fluido definidas dentro da gaxeta150. Uma porta de fluido 153 é envolta por uma região de células fechadas154, à exceção de uma região que compreende os canais de descarga de fluido152a. Os canais de descarga de fluido 152 conectam de modo fluido a portade fluido 153 a um volume interior 155 definido pela gaxeta 150. Uma regiãoadicional de canais de descarga de fluido 152b serve para conectar o volumeinterior 155 definido pela gaxeta 150 a um distribuidor externo 151. Odistribuidor externo 151 pode, por exemplo, ser usado para despacharrefrigerante à célula de combustível, enquanto a porta de fluido 153 despachaoxidante.

As gaxetas como descritas aqui cumprem as exigênciasparticularmente severas para as gaxetas usadas em células de combustível.

Exige-se, tipicamente, que estas gaxetas de célula de combustível tenham umaexatidão dimensional elevada sobre uma área extensa e podem precisarconseguir vedação sobre uma grande área de superfície com uma compressãode, por exemplo, apenas 0,2mm para cada célula.

Para reduzir a distorção de uma pilha de células decombustível tendo muitas células individuais, e permitir volume adequadopara uma camada de difusor dentro de cada célula, as dimensões da espessurade uma gaxeta de vedação podem precisar variar apenas cerca de 10% quandouma pressão de vedação é aplicada. Superfícies altamente tolerantes sãoconseqüentemente exigidas sobre as superfícies de casamento das gaxetaspara evitar vazamentos. Entretanto, gaxetas de células de combustíveligualmente, exigem suficientes elasticidade e flexibilidade para permitirexpansão térmica e contração de outros componentes tais como tirantes quepassam através das células de uma pilha. Um alto nível da precisão nocarregamento e vedação de pilhas de células de combustível é exigido e asgaxetas aqui descritas oferecem surpreendentemente vantagens significativasa este respeito. As cavidades das gaxetas descritas permitem uma redução nacarga e capacidade melhorada de vedar ao redor das saliências da superfície epermitir que certas tolerâncias dimensionais e de carregamento sejamrelaxadas embora não comprometendo a capacidade de vedação da gaxeta oua precisão dimensional ao longo de toda a espessura de uma pilha de célulasde combustível.

Outros modos de realização estão previstos para estar dentrodo escopo das reivindicações anexadas.

Claims (15)

1. Gaxeta, caracterizada pelo fato de ser formada de materialcompressível e tendo uma primeira superfície de vedação e uma segundasuperfície de vedação para prover uma vedação de fluido entre um primeirocomponente e um segundo componente, uma pluralidade de cavidadesprovidas próximo da primeira e/ou segunda superfícies de vedação e seestendendo sobre, pelo menos, uma primeira porção da gaxeta para provercompressibilidade aumentada da gaxeta na primeira porção.

2. Gaxeta de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelofato da densidade de cavidade e/ou volumes de cavidade variar ao longo da,pelo menos, uma das primeira e segunda superfícies de vedação.

3. Gaxeta de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelofato da densidade de cavidade e/ou volumes de cavidade serem diferentes nasprimeira e segunda superfícies de vedação.

4. Gaxeta de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelofato da densidade de cavidade e/ou volumes de cavidade ser diferentes emporções de superfície selecionadas, opostas, da gaxeta.

5. Gaxeta de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelofato das cavidades serem arranjadas em um ou mais arranjos regulares.

6. Gaxeta de acordo com qualquer reivindicação precedente,caracterizada pelo fato das cavidades terem uma dimensão linear médiadentro da faixa de 0,1 a lmm.

7. Gaxeta de acordo com qualquer reivindicação precedente,caracterizada pelo fato das cavidades terem volumes médios dentro da faixade 0,001 a 1 mm3.

8. Gaxeta de acordo com qualquer reivindicação precedente,caracterizada pelo fato das cavidades terem substancialmente forma cúbica.

9. Gaxeta de acordo com qualquer reivindicação precedente,caracterizada pelo fato das cavidades incluírem uma pluralidade de canais dealimentação de fluido providas dentro da gaxeta próximo da primeirasuperfície de vedação, cada canal de alimentação de fluido tendo umaprofundidade se estendendo, pelo menos parcialmente, ao longo da gaxeta.

10. Gaxeta de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelofato da pluralidade de canais de alimentação de fluido estar conectada demodo fluido a uma abertura compreendendo uma porta de entrada e/ou desaída de fluido.

11. Gaxeta de acordo com a reivindicação 10, caracterizadapelo fato da pluralidade de canais de alimentação de fluido ser adaptada paraser conectada de modo fluido a um conjunto de membrana-eletrodo de umacélula de combustível.

12. Gaxeta de acordo com qualquer reivindicação precedente,caracterizada pelo fato da gaxeta compreender uma primeira camada dematerial compressível na qual a pluralidade de cavidades é provida e umasegunda camada de material relativamente incompressível próximo daprimeira camada.

13. Método para vedar uma célula de combustível,caracterizado pelo fato de compreender:prover uma gaxeta formada de material compressível tendouma primeira superfície de vedação e uma segunda superfície de vedação euma pluralidade de cavidades próximo das primeira e/ou segunda superfíciesde vedação e se estendendo sobre, pelo menos, uma primeira porção da gaxetapara prover compressibilidade aumentada da gaxeta na primeira porção;posicionar a gaxeta entre uma placa de campo de fluxo defluido e um conjunto de membrana-eletrodo; eaplicar pressão compressiva entre a placa de campo de fluxode fluido e o conjunto de membrana-eletrodo ao longo da gaxeta para proveruma vedação de fluido entre eles.

14. Célula de combustível, caracterizada pelo fato decompreender:um conjunto de membrana-eletrodo;uma placa de campo de fluxo de fluido; euma gaxeta como definida em qualquer uma dasreivindicações 1 a 12.

15. Gaxeta, caracterizada pelo fato de ser substancialmentecomo descrita acima com referência aos desenhos de acompanhamento.