ES2309740T3 - Distribucion de gas de celda de combustible. - Google Patents

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Abstract

Una celda de combustible que comprende: un conjunto membrana-electrodo que tiene una cara del electrodo anódica; una placa anódica adyacente a dicha cara del electrodo del conjunto membrana-electrodo y acoplada a él mediante una empaquetadura de sellaje; definiendo la empaquetadura de sellaje, la cara del electrodo y la placa anódica juntos un volumen de contención del fluido para la entrega de fluido anódico a la cara del electrodo; y una lámina de material difusor poroso situada en el volumen de contención del fluido y teniendo por lo menos un pleno definido entre al menos un borde lateral de la lámina del material difusor y la empaquetadura de sellaje.

Description

Distribución de gas de celda de combustible.
La presente invención se refiere a celdas de combustible, y en particular a los métodos y aparato para la entrega del fluido a la superficie activa en las placas del ánodo y/o cátodo, por ejemplo, las celdas de combustible electrolíticas de polímero sólido.
Las celdas de combustible electroquímicas convencionales convierten el combustible y el oxidante en energía eléctrica y un producto de la reacción. Un diseño típico, de una celda de combustible convencional 10 se muestra en la figura 1 la cual, para claridad, ilustra las varias capas en forma explotada. Una membrana sólida de polímero de transferencia iónica 11 se intercala entre un ánodo 12 y un cátodo 13. Típicamente, el ánodo 12 y el cátodo 13 están formados ambos de un material poroso conductor de la electricidad, como el carbón poroso, al cual están unidas pequeñas partículas de platino y/u otro catalizador de metal precioso. El ánodo 12 y el cátodo 13 están a menudo unidos directamente a las superficies adyacentes respectivas de la membrana 11. Esta combinación normalmente se denomina conjunto membrana-electrodo, o MEA.
Intercalando la membrana del polímero y las capas del electrodo poroso está la placa anódica del campo de flujo fluido 14 y la placa catódica del campo de flujo fluido 15. También pueden emplearse otras capas intermedias de apoyo 12a y 13a entre la placa anódica del campo de flujo fluido 14 y el ánodo 12, y de forma similar entre la placa catódica del campo de flujo fluido 15 y el cátodo 13. Las capas de apoyo son de una naturaleza porosa y se fabrican así para asegurar la difusión eficaz del gas hacia y desde las superficies anódica y catódica así como ayudar en el empleo del vapor de agua y del agua líquida.
Las placas del campo de flujo fluido 14, 15 se forman de un material eléctricamente conductor, no-poroso mediante el cual puede hacerse contacto eléctrico con el electrodo del ánodo respectivo 12 o el electrodo del cátodo 13. Al mismo tiempo, las placas del campo de flujo fluido facilitan la entrega y/o descarga de combustible fluido, oxidante y/o producto de la reacción hacia o desde los electrodos porosos 12, 13. Esto se efectúa convencionalmente formando pasajes de flujo fluido en una superficie de las placas del campo de flujo fluido, como las ranuras o canales 16 en la superficie presentada a los electrodos porosos 12, 13.
Con referencia también a la figura 2(a), una configuración convencional del canal de flujo fluido proporciona una estructura de serpentina 20 en un lado del ánodo 14 (o cátodo 15) teniendo un tubo múltiple de entrada 21 y un tubo múltiple de salida 22 como se muestra en la figura 2(a). Según el diseño convencional, se entenderá que la estructura de serpentina 20 comprende un canal 16 en la superficie de la placa 14 (ó 15), mientras los tubos múltiples 21 y 22 cada uno comprende una abertura a través de la placa para que la entrega del fluido hacia o descarga desde, el canal 20 pueda comunicarse a lo largo del espesor de una pila de placas en una dirección ortogonal a la placa como particularmente se indica mediante la flecha en la sección transversal en A-A mostrada en la figura 2(b).
Otras aberturas del tubo múltiple 23, 25 pueden proporcionarse para el combustible, oxidante, otros fluidos o comunicación de la descarga hacia otros canales en las placas, no mostradas.
Se conocen varias configuraciones de los canales 16 en las placas del campo de flujo fluido 14, 15. Una configuración es el modelo de serpentina de terminación abierta de la figura 2, donde los canales se extienden entre un tubo múltiple de entrada 21 y un tubo múltiple de salida 22 que permiten un gasto continuo de fluido, típicamente usado para el suministro de un oxidante combinado y la descarga del reactante. En otra configuración, los canales 16 pueden cerrarse en un extremo, es decir cada canal tiene comunicación solamente con un tubo múltiple de entrada 21 para proporcionar el fluido, confiando completamente en transferir 100% del material gaseoso en y fuera de los electrodos porosos del MEA. Típicamente el canal cerrado puede usarse para entregar el combustible de hidrógeno al MEA 11-13 en una estructura tipo peine.
Con referencia a la figura 3, en las celdas de combustible convencionales 30, las pilas están compuestas de placas. En este arreglo, las placas del campo de flujo fluido adyacentes al ánodo y al cátodo se combinan en forma convencional para formar una sola placa bipolar 31 que tiene los canales del ánodo 32 en un lado y los canales del cátodo 33 en el lado opuesto, cada uno, adyacente al conjunto membrana-electrodo respectivo (MEA) 34. Las aberturas del tubo múltiple de entrada 21 y las aberturas del tubo múltiple de salida están todas recubiertas para proporcionar la entrada y salida de los tubos múltiples a la pila completa. Los elementos varios de la pila se muestran ligeramente separados para claridad, aunque se entenderá que, si es necesario, se apretarán juntos usando empaquetaduras de sellaje.
La formación de canales o conductos de flujo fluido 16 en las placas del campo de flujo fluido, es un procedimiento exigente, típicamente realizado utilizando un proceso de grabado químico u otro proceso de alta definición para que pueda lograrse un grado adecuado de control sobre la profundidad, anchura y diseño de los canales 16, formando mientras las placas de campo del flujo fluido tan delgadas como sea posible. Cualquier inconsistencia en el proceso de grabado químico que produce variaciones en la profundidad, la anchura y el diseño de la placa de flujo fluido puede romper severamente el flujo fluido hacia y desde el MEA.
Por ejemplo, la caída de presión entre el puerto de entrada 21 y el puerto de salida 22 puede variar significativamente de placa a placa y por consiguiente de celda a celda dentro de un conjunto de celda de combustible. Las celdas de pobre ejecución pueden resultar en operaciones más frecuentes de purgado del ánodo durante el funcionamiento de una celda, o puede requerir técnicas especiales de calibración de la celda que consumen tiempo y son caras. Las celdas de pobre ejecución limitan la actuación global de una pila de la celda de combustible la cual está influenciada fuertemente por la celda más débil.
Es un objeto de la presente invención minimizar los problemas asociados con la formación de los canales de flujo fluido en una placa de flujo fluido y/o los problemas que surgen de la variación de la ejecución de tales canales de flujo fluido de celda a celda.
Es un objeto adicional de la invención incrementar el factor de densidad de potencia de una pila de la celda de combustible reduciendo el espesor de la placa de campo anódica sin comprometer significativamente la potencia de salida.
Según un aspecto, la presente invención proporciona una celda de combustible que comprende:
un conjunto membrana-electrodo que tiene un lado del electrodo anódico;
una placa anódica adyacente a dicho lado del electrodo del conjunto membrana-electrodo y acoplada a él mediante una empaquetadura de sellaje;
definiendo la empaquetadura de sellaje, el lado del electrodo y la placa anódica juntos un volumen de contención del fluido para la entrega de fluido anódico al lado del electrodo; y
una lámina de material difusor poroso situada en el volumen de contención del fluido y teniendo por lo menos un pleno definido entre por lo menos un borde lateral de la lámina del material difusor y la empaquetadura de sellaje.
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Según otro aspecto, la presente invención proporciona una celda de combustible que comprende:
un conjunto membrana-electrodo que tiene un lado del electrodo catódico;
una placa anódica adyacente a dicho lado del electrodo del conjunto membrana-electrodo y acoplada a él mediante una empaquetadura de sellaje;
definiendo la empaquetadura de sellaje, el lado del electrodo y la placa catódica juntos un volumen de contención de fluido para la entrega de fluido catódico hacia, y/o extracción del fluido catódico desde, el lado del electrodo; y
una lámina de material difusor poroso situada en el volumen de contención de fluido y teniendo por lo menos un pleno definido entre al menos un borde lateral de la lámina del material difusor y la empaquetadura de sellaje.
Las realizaciones de la presente invención se describirán ahora por la vía del ejemplo y con referencia a los dibujos acompañantes en los cuales:
La Figura 1 muestra una vista esquemática de la sección transversal a través de una parte de una celda de combustible convencional;
Las Figuras 2(a) y 2(b) respectivamente muestran una vista simplificada en planta y seccional de una placa del campo de flujo fluido de la celda de combustible de la figura 1;
La Figura 3 muestra una vista seccional transversal de una pila de la celda de combustible convencional con placas bipolares;
La Figura 4a muestra una vista en planta de una configuración de un ánodo que tiene una lámina de material difusor situada con respecto a una empaquetadura de sellaje y los puertos de entrada y salida de fluido, y la figura 4b muestra la correspondiente vista lateral seccional en la línea A-A;
La Figura 5 muestra una vista en planta de la configuración del ánodo de la figura 4 mostrando los flujos de gas durante ambos, el funcionamiento regular (figura 5a) y la purga anódica (figura 5b);
La Figura 6 muestra varios diseños alternativos del pleno definido entre los bordes laterales de una lámina de material difusor y la empaquetadura de sellaje periférica;
La Figura 7 muestra una configuración anódica que comprende múltiples medias celdas co-planares que comparten una placa anódica común; y
La Figura 8 muestra un diseño alternativo del pleno definido entre los bordes laterales de una lámina de material difusor y la empaquetadura de sellaje periférica.
Los diseños convencionales de las placas de flujo fluido anódica y catódica que incorporan los canales de flujo fluido en los lados de ellas se han discutido ya en relación con las figuras 1 a 3. Estos canales de flujo fluido generalmente se extienden sobre una proporción significante de la superficie de las placas y se usan para asegurar suficiente transporte de los fluidos anódico y catódico hasta la superficie activa del MEA. Como también se muestra en la figura 1, un material difusor poroso 12a, 13a está incorporado en una celda de combustible convencional para ayudar la transferencia desde los canales 16 hasta el MEA 11, permitiendo la difusión sustancial en el plano transversal (es decir normal o transverso al plano del difusor) y una cantidad pequeña de difusión en el plano (es decir paralelo al plano del difusor) para permitir la difusión del fluido anódico fuera de cada canal individual 16. De esta forma, se efectúa un buen transporte del fluido anódico hacia y desde la superficie anódica activa completa del MEA, y se efectúa un buen transporte del fluido catódico hacia y desde la superficie catódica activa completa del MEA.
La presente invención ha reconocido que ciertos tipos de materiales difusores porosos pueden usarse en conjunto con un diferencial de presión entre los puertos de entrada y salida para asegurar que sea posible el suficiente transporte de fluido en la dirección dentro del difusor que transporta fluido a toda la superficie de la membrana, sin el uso de los canales de flujo fluido en la placa anódica.
Refiriéndose a la figura 4, un lado del ánodo del conjunto membrana-electrodo 40 se recubre con una empaquetadura de sellaje 41 alrededor de su perímetro. La empaquetadura de sellaje 41 incluye dos huecos 42, 43 alrededor de un puerto de entrada de fluido 44 y un puerto de salida de fluido 45 hasta una periferia del lado anódico del MEA 40. Una placa anódica eléctricamente conductora 46 recubre la empaquetadura de sellaje (mostrada en línea discontinua en la figura 4b y ligeramente separada para claridad, pero omitida en la figura 4a para revelar las estructuras
debajo).
El lado anódico del MEA 40, la empaquetadura de sellaje 41 y la placa anódica 46 juntos definen una contención de volumen de fluido 47 entre el puerto de entrada de fluido 44 y el puerto de salida de fluido 45. La contención de volumen de fluido se efectúa por la impermeabilidad de la placa anódica 46 y la empaquetadura de sellaje 41 junto con la permeabilidad limitada del MEA (es decir, que permiten substancialmente sólo el flujo iónico). Dentro de esta contención de volumen 47 se coloca una lámina de material difusor 48. La lámina de material difusor se corta en una forma que produce la formación de uno o más plenos 49, 50 definidos entre un borde lateral 51, 52 de la lámina 48 y la empaquetadura de sellaje 41. Más particularmente, en la realización de la figura 4, el primer pleno 49 constituye un pleno de entrada que se extiende alrededor de una porción mayor del borde lateral periférico 51 de la lámina 48 del material difusor (es decir, más de tres lados). El segundo pleno 50 constituye un pleno de salida que se extiende alrededor de una porción menor del borde lateral periférico 52 de la lámina 48 del material difusor.
La placa anódica 46 está preferentemente desprovista de cualquier ranura o canal 16 en su superficie 52 que enfrenta el electrodo 40 y la lámina del difusor 48, ya que el transporte de fluido, puede efectuarse completamente por la vía de los plenos 49, 50 y del propio material difusor 48. Esto se ilustra en más detalle con referencia a la figura 5.
La figura 5a ilustra los patrones de flujo fluido durante el funcionamiento regular de la celda de combustible. Los fluidos de entrada que llegan bajo presión desde el puerto de entrada 44 se distribuyen a lo largo del pleno de entrada 49 y en el cuerpo de la lámina del difusor poroso 48 (y el MEA subyacente 40) como está indicado por las flechas. En este modo del funcionamiento regular, el pleno de salida 50 no necesita tomar parte (aunque puede no ser así), ya que la función esencial es entregar el combustible fluido a la superficie activa del lado anódico del MEA 40. Preferentemente, esto se logra de forma tal que el suministro de combustible adecuado alcanza todas las partes activas del lado anódico del MEA 40, para mantener así la entrega de la potencia requerida desde la celda sin que cause puntos calientes localizados. Sin embargo, esto no evita la posibilidad de que alguna proporción pequeña de combustible o algún subproducto podrían purgarse al pleno de salida 50 y después al puerto de salida 45 durante el funcionamiento regular de la celda de combustible.
La figura 5b ilustra los patrones de flujo fluido durante la operación de purga de la celda de combustible. Los fluidos de entrada que llegan bajo presión desde el puerto de entrada 44 se distribuyen a lo largo del pleno de entrada 49 y a través del cuerpo de la lámina del difusor poroso 48 (y el electrodo subyacente 40) hasta el pleno de salida 50 y después hasta el puerto de salida 45, como está indicado por las flechas. Como se entenderá por aquellos familiarizados con el funcionamiento de la celda de combustible, el cambio regular de una celda de combustible al modo de purga cuando cae la ejecución de la celda de combustible (por ejemplo debido al aumento de agua en el electrodo) se usa a menudo como parte de una estrategia del empleo del sistema.
Se encontró que el "sello parcial" 53 formado entre el borde lateral de la lámina del difusor 48 y el borde de la empaquetadura 41 donde el pleno no está formado, es adecuado para prevenir el escape significante de fluido directamente alrededor del material difusor desde la entrada del pleno 49 hasta la salida del pleno 50. Por preferencia, el "sello parcial" se logra efectuando un ajuste apretado o un ajuste de interferencia entre el borde de la lámina del difusor 48 y el borde correspondiente de la empaquetadura 41. Alguna compresión del material difusor durante el ensamblaje de la pila puede ayudar en la formación de este sello parcial.
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La configuración de la lámina difusora 48 y la empaquetadura de sellaje 41 como se muestra en las figuras 4 y 5 es solo una alternativa. La figura 6 muestra otros muchos arreglos posibles que logran un objetivo similar en ambas vistas, la vista en perspectiva "explotada" (figuras del lado izquierdo) y la vista en planta (figuras del lado derecho).
La figura 6a ilustra el patrón de la figura 4 para propósitos de comparación. La figura 6b ilustra un patrón similar de entrada del pleno 61 y salida del pleno 62, pero en este arreglo, la empaquetadura de sellaje 41 se conforma para crear los plenos 61, 62 en lugar de la lámina del difusor 48 siendo conformada para crear los plenos. Esto facilita el uso de las láminas de material difusor de forma rectangular o cuadrada en lugar de las láminas de forma irregular 48 del material difusor.
La figura 6c ilustra un arreglo simétrico de la entrada del pleno 63 y la salida del pleno 64, contando confiando de nuevo, en la forma de la empaquetadura de sellaje 41 en lugar de la lámina del difusor 48 para que puedan usarse las láminas del difusor rectangulares o cuadradas. En esta configuración, la entrada del pleno 63 y la salida del pleno 64 están equilibradas, teniendo substancialmente las longitudes iguales y el flujo de fluido en-dirección a través del medio difusor generalmente es desde un extremo al otro.
La figura 6d ilustra un arreglo similar al de la figura 6b pero con la entrada (mayor) del pleno 65 que se extiende a lo largo de dos bordes laterales de la lámina del difusor 48 y una salida del pleno 66 ligeramente mayor que la de la figura 6b. En este arreglo, el flujo fluido en-dirección es algo más diagonal y homogéneo.
La figura 6e ilustra un arreglo en el cual no se requiere una salida separada del pleno. Solamente se proporciona un solo pleno circunferencial o periférico 67 rodeando completamente la lámina del difusor 48. La purga del pleno 67 es todavía posible usando el puerto de salida 45. La purga del difusor 48 y del electrodo 40 sólo serían posibles en una magnitud menor, confiando en la difusión-fuera en el pleno 67, en lugar de la difusión forzada por el diferencial de presión sustancial a través del difusor. Este arreglo tiene aplicación particular donde normalmente no se requiere la purga del ánodo.
Así, en sentido general, se entenderá que la lámina de material difusor poroso puede tener una forma irregular (no-rectangular) incluyendo huecos en su perímetro para formar por eso al menos un pleno. Alternativamente, la lámina de material difusor poroso puede tener un perímetro rectangular y la empaquetadura de sellaje tiene una forma irregular (no-rectangular) incluyendo huecos en su perímetro interior para formar así al menos un pleno.
La figura 7 ilustra un arreglo en el cual las células de combustible co-planares se forman usando una sola placa anódica común, (no mostrada) y un solo electrodo común 70. En este arreglo, la empaquetadura de sellaje 71 se configura para formar tres volúmenes de la contención de fluidos separados 72, 73, 74 cada uno con su propia lámina respectiva de difusor material 75, 76, 77. La configuración de la lámina del difusor y la empaquetadura de sellaje usadas para definir los plenos pueden ser variados, por ejemplo como se discutió en relación a la figura 6.
Este arreglo compartimenta cada medio-celda anódica en la pila de la celda de combustible en áreas separadas de alimentación de fluido y de purga, las cuales pueden permitirse el lujo de un grado mayor de uniformidad de los flujos de gas a través de los ánodos de área grande. En particular, los efectos de cualquier restricción en la velocidad de difusión del fluido a través de la cara del electrodo entre la entrada y la salida de los plenos se minimizan limitando en esta forma, el área de las láminas del difusor 75, 76, 77.
La figura 8 ilustra un arreglo en el cual no puede definirse el pleno 80, no solo entre el borde lateral de la lámina del difusor 48, sino también por medio de una abertura 82 cortada a través del cuerpo de la lámina del difusor y extendiéndose en un área central de la lámina del difusor. También la figura 8 ilustra que pueden usarse dos o más puertos de entrada 83, 84 y/o dos o más puertos de salida 85, 86.
En las realizaciones preferidas, el MEA 40 se fabrica como una delgada capa del polímero intercalada entre las capas del electrodo en cualquier lado, formando respectivamente la cara anódica y la cara catódica. Las caras del MEA preferentemente comprenden un área central "activa" rodeada por un área periférica (o "marco") que se refuerza para permitir la formación de los puertos de entrada y de salida (por ejemplo, los puertos 44, 45 de la figura 4) y otros tubos múltiples con riesgo reducido de daño a la integridad estructural del MEA. En esta área periférica reforzada, el MEA puede enfrentarse con varias tensiones y fuerzas mucho más eficazmente que el área delgada activa del electrodo.
Donde se usa tal MEA reforzado, es preferible que los plenos periféricos (por ejemplo 49, 50 y 61 a 67 de las figuras 6a a 6e) se localizan sobre el área periférica reforzada del MEA para ayudar a evitar cualquier riesgo de que el fallo estructural pueda ocurrir en el MEA debido a la falta de apoyo al área activa central del MEA cuando la celda de combustible está comprimida durante el montaje de una pila de la celda de combustible. La estructura de las áreas periféricas reforzadas del MEA no se afecta por el contenido de agua en la misma magnitud que las áreas activas del conjunto membrana-electrodo. El área activa del MEA podría por otra parte hincharse y parcialmente bloquear los plenos cuando se humedece, o producir puntos estructurales débiles si se seca fuera por el hidrógeno suminis-
trado.
Todas las disposiciones descritas anteriormente se han ilustrado por referencia a la cara anódica de una celda de combustible (es decir, una medio-celda anódica). Sin embargo, se comprenderá que una medio-celda catódica correspondiente pudiera utilizar una estructura similar de medio-celda como la descrita en relación con las figuras 4 a 6, o podría usar otros tipos convencionales de construcción de medio-celda, usando por ejemplo placas de flujo fluido que tienen canales de distribución del fluido en ellas.
En una realización preferida, la medio-celda catódica comprende una configuración convencional de "cátodo abierto", en la cual el cátodo está abierto a la atmósfera para ambos suministros de oxígeno, descarga de subproductos y enfriamiento de la celda. Preferiblemente, en el cátodo se fuerza la descarga (por ejemplo mediante un ventilador) para la entrega de oxígeno y aire refrescante y para expulsar el vapor de agua subproducto.
La eliminación de canales o ranuras 16 en la placa anódica 40 habilita una reducción sustancial en el espesor de la placa anódica cuando se compara con la placa de flujo fluido 14 (figura 1). En un diseño, el espesor de cada placa anódica se ha reducido de 0,85 mm a sólo 0,25 mm con el consecuente aumento sustancial en la densidad de potencia de la pila de la celda de combustible. La reducción del espesor de cada placa anódica en la pila ofrece una reducción sustancial tanto en el peso como en el volumen de la pila de la celda de combustible.
También se ha encontrado que la ausencia de los canales 16 en una placa anódica 14 reduce el área de la placa, por lo cual no hay ningún contacto eléctrico directo entre la placa 14 y el electrodo 12. En otras palabras, el área de contacto entre la placa anódica y el material difusor es casi 100%. En los electrodos de la técnica anterior, cualquier discontinuidad en el contacto eléctrico entre la placa anódica y el electrodo aumenta localmente las densidades de corriente entre los canales.
La presente invención habilita la anulación de las áreas de no-contacto de los canales 16, reduciendo por consiguiente las pérdidas óhmicas como resultado de las densidades de corriente reducidas generalmente a través del área del electrodo.
Eliminar la necesidad de formar los canales 16 en la placa anódica 14 también simplifica los procesos industriales. Se ha encontrado que es mucho más fácil cortar para dar forma a la empaquetadura de sellaje 41 y/o la lámina del difusor 48 que grabar o estampar los canales 16 en la placa anódica 14.
En las disposiciones preferidas, la celda de combustible es una celda de combustible de hidrógeno, en la cual el combustible fluido anódico es hidrógeno gaseoso, el fluido catódico es aire y el subproducto de la descarga es vapor de agua y aire agotado de oxígeno. El fluido de entrada también puede incluir otros gases (por ejemplo por lastre, purga o hidratación de la membrana). El uso de una placa anódica 40 sin los canales, y confiando en la distribución de gas por la vía de los plenos 49, 50 y en la difusión en-la dirección dentro del material difusor, se ha encontrado ser muy eficaz para el transporte de gas de hidrógeno a los sitios del catalizador del electrodo. Se utilizan las tasas altas de difusividad del hidrógeno y el bajo sobrevoltaje de la reacción de oxidación del hidrógeno en los sitios del catalizador.
Para asegurar un buen suministro de combustible fluido a la superficie activa completa del electrodo anódico, es ventajoso tener una difusividad relativamente alta del gas del ánodo a través de la lámina del difusor 48, comparado con una razón de difusividad relativamente más baja dentro del electrodo anódico 40 (y cualquier capa de apoyo 12a en él).
La configuración del ánodo trabaja mejor cuando se mantiene un diferencial de presión entre el puerto de entrada 44 y el puerto de salida 45 para dar la difusión forzada. Esto también se muestra para reducir el tiempo de purga.
Preferentemente, el material difusor tiene axialmente- permeabilidad dependiente. En otras palabras, la razón de transporte de gas en una dirección en-el plano puede ser diferente que la razón de transporte de gas en otra dirección en-el plano. En este caso, las láminas difusoras pueden orientarse ventajosamente de forma tal que se efectúe el transporte de gas más eficaz y homogéneo entre los plenos o desde la entrada del pleno hasta la región central de la lámina difusora. Los materiales difusores pueden tener una orientación de las fibras (por ejemplo una estera entretejida) lo cual proporciona esta dependencia y las fibras pueden preferiblemente ser orientadas en una dirección "a través de la celda" para ayudar con el transporte de hidrógeno hasta el centro de la medio-celda. Además, la homogeneidad del transporte de gas al electrodo puede mejorarse cuando la razón de difusión en-el plano del material difusor es más alta que la razón de difusión a través del plano.
Para asegurar la razón de difusión óptima a través del material difusor, éste no debe aplastarse significativamente o comprimirse durante el montaje de la celda de combustible, es decir cuando todas las placas de la pila están juntas comprimidas para formar el conjunto de la celda de combustible. Por esta razón, preferentemente el material de la empaquetadura de sellaje 41 se selecciona que sea más duro (menos compresible) que el material del difusor 48.
Los materiales convenientes para el uso como lámina del difusor 48 son medios de difusión de gas de grado TGP-H papel de fibra de carbono fabricado por Toray.
En las realizaciones preferidas, la empaquetadura de sellaje 41 tiene un espesor que está en el rango 100 a 400 micrones, y la lámina del difusor 48 tiene un espesor que está en el rango 150 a 500 micrones. En otra realización preferida, la empaquetadura de sellaje tiene un espesor de 225 micrones, y la lámina del difusor tiene un espesor de 300 micrones.
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La distribución de gas anódica que usa los plenos periférico y material difusor como se describió anteriormente, puede también ofrecer ventajas en el manejo de agua en el electrodo. El aumento de agua causa la inundación del electrodo. En los diseños convencionales de la placa de flujo fluido que usan canales en la placa, durante la inundación, el agua se agrupa en los bordes del área activa del electrodo donde ésta se enfría. Hay poca o ninguna generación de corriente en los bordes del área activa, por consiguiente ninguna generación de calor y el agua permanece estacionaria hasta que se realiza una purga.
Por el contrario, en la presente invención, el agua se concentra hacia la región central del área activa. Esto mantiene la hidratación del MEA pero también tiene el efecto de reducir el flujo de corriente en las áreas inundadas. En las áreas activas adyacentes donde el agua no se ha concentrado, hay superior flujo de corriente, depleción de hidrógeno más rápida y, por consiguiente una región de más baja presión. El hidrógeno y el agua, ambos se mueven preferencialmente hacia esta región de baja presión como resultado de los gradientes de presión, reduciendo por eso la inundación localizada.
Otras realizaciones están intencionalmente dentro del alcance de las reivindicaciones que se acompañan.

Claims (19)

1. Una celda de combustible que comprende:
un conjunto membrana-electrodo que tiene una cara del electrodo anódica;
una placa anódica adyacente a dicha cara del electrodo del conjunto membrana-electrodo y acoplada a él mediante una empaquetadura de sellaje;
definiendo la empaquetadura de sellaje, la cara del electrodo y la placa anódica juntos un volumen de contención del fluido para la entrega de fluido anódico a la cara del electrodo; y
una lámina de material difusor poroso situada en el volumen de contención del fluido y teniendo por lo menos un pleno definido entre al menos un borde lateral de la lámina del material difusor y la empaquetadura de sellaje.
2. La celda de combustible de la reivindicación 1 en la cual el pleno se define entre el todo de un borde lateral de la lámina del material difusor y la empaquetadura de sellaje.
3. La celda de combustible de la reivindicación 2 en la cual el pleno se define entre más de un borde lateral de la lámina del material difusor y la empaquetadura de sellaje.
4. La celda de combustible de cualquier reivindicación precedente en la cual el pleno comprende además una abertura que se extiende dentro del cuerpo de la lámina del material difusor.
5. La celda de combustible de cualquier reivindicación precedente en la cual el pleno es un pleno periférico que se extiende alrededor del borde lateral completo de la lámina de material difusor.
6. La celda de combustible de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 en la cual el pleno es un primer pleno que comunica con un puerto de entrada de fluido en un borde periférico de la celda de combustible, e
incluyendo además un segundo pleno definido entre por lo menos un borde lateral de la lámina de material difusor y la empaquetadura de sellaje, la cual comunica el segundo pleno con un puerto de salida en un borde periférico de la celda de combustible,
en donde el segundo pleno está separado del primer pleno por el material difusor.
7. La celda de combustible de cualquier reivindicación precedente en la cual la placa anódica tiene una superficie substancialmente lisa presentada a la cara del electrodo.
8. La celda de combustible de cualquier reivindicación precedente en la cual la placa anódica no tiene canales de distribución de fluido formados en su superficie presentada a la cara del electrodo.
9. La celda de combustible de cualquier reivindicación precedente en la cual la lámina de material difusor comprende una estera de fibra de carbón.
10. La celda de combustible de cualquier reivindicación precedente en la cual la lámina de material difusor tiene una permeabilidad axialmente-dependiente.
11. La celda de combustible de la reivindicación 10 en la cual el material difusor se orienta de forma tal que la dirección de permeabilidad más alta se dispone para ayudar el máximo transporte de gas desde el pleno al centro de la lámina.
12. La celda de combustible de la reivindicación 10 cuando subordinado a la reivindicación 6 en la cual el material difusor se orienta de forma tal que la dirección de permeabilidad más alta se dispone para ayudar el transporte máximo de gas desde el primer pleno al segundo pleno.
13. La celda de combustible de cualquier reivindicación precedente formada en un conjunto unitario de múltiples celdas co-planares que comparten una placa anódica común pero que definen múltiples volúmenes de contención de fluidos co-planares independientes, cada uno con una lámina respectiva de material difusor.
14. La celda de combustible de cualquier reivindicación precedente en la cual la lámina de material difusor poroso tiene una forma irregular incluyendo huecos en el perímetro para así formar por lo menos un pleno.
15. La celda de combustible de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13 en la cual la lámina de material difusor poroso tiene un perímetro rectangular y la empaquetadura de sellaje tiene una forma irregular que incluye huecos en su perímetro interior para formar así por lo menos un pleno.
16. La celda de combustible de cualquier reivindicación precedente que incluye una cara del electrodo catódica de una placa catódica adyacente de la cara del electrodo del conjunto membrana-electrodo.
17. La celda de combustible de la reivindicación 16 en la cual el electrodo catódico es de una configuración de cátodo abierto.
18. Una pila de la celda de combustible que incorpora la celda de combustible de la reivindicación 16 o la reivindicación 17.
19. Una celda de combustible que comprende:
un conjunto membrana-electrodo que tiene una cara del electrodo catódica;
una placa catódica adyacente a dicha cara del electrodo del conjunto membrana-electrodo y acoplada a él mediante una empaquetadura de sellaje;
definiendo la empaquetadura de sellaje, el lado del electrodo y la placa catódica juntos un volumen de contención de fluido para la entrega de fluido catódico hacia, y/o descarga del fluido catódico desde, la cara del electrodo; y
una lámina de material difusor poroso situada en el volumen de contención de fluido y teniendo por lo menos un pleno definido entre al menos un borde lateral de la lámina del material difusor y la empaquetadura de sellaje.
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