MX2008014576A

MX2008014576A - Empaques para celdas de combustible.

Info

Publication number: MX2008014576A
Application number: MX2008014576A
Authority: MX
Inventors: Peter David Hood; Simon Edward Foster
Original assignee: Intelligent Energy Ltd
Priority date: 2006-05-13
Filing date: 2007-05-14
Publication date: 2008-11-27
Also published as: CN101443939A; ATE542254T1; BRPI0711466A2; JP5350225B2; KR20090025235A; KR101382514B1; WO2007132219A3; CA2651625C; GB2437994A; TW200810220A; GB0609566D0; WO2007132219A2; CA2651625A1; US20090311569A1; AR060917A1; CN101443939B; ES2395111T3; RU2414773C2; EP2022118B1; EP2022118A2

Abstract

Un empaque para obturar las superficies internas de una celda de combustible y formado de material compresible, el empaque comprendiendo una primera superficie obturadora y una segunda superficie obturadora para proveer una obturación de fluido contra las caras opuestas de una primera placa de campo de flujo de fluido y una segunda placa de campo de flujo de fluido respectivamente, el empaque comprendiendo además una tercera superficie obturadora para obturar contra una región exterior de perímetro de una primera superficie de un ensamble de membrana y electrodo, la tercera superficie obturadora estando encerrada enteramente dentro de un límite definido por un perímetro interior de la segunda superficie obturadora.

Description

EMPAQUES PARA CELDAS DE COMBUSTIBLE MEMORIA DESCRIPTIVA La presente invención se refiere a empaques y en particular a empaques para su uso en ensambles de celda de combustible. Las celdas de combustible electroquímicas convencionales convierten el combustible y el oxidante en energía eléctrica y en un producto de reacción. Un diseño típico de una celda de combustible 10 convencional está mostrado en la figura 1 la cual ilustra, por claridad, las varias capas en forma desarrollada. Una membrana de transferencia de iones 1 1 de polímero sólido está intercalada entre un ánodo 12 y un cátodo 13. Típicamente, el ánodo 12 y el cátodo 13 están formados en ambos casos de un material poroso, eléctricamente conducto, tal como carbono poroso, al cual se enlazan pequeñas partículas de platino y/u otro catalizador de metal precioso. El ánodo 12 y el cátodo 13 se unen a menudo directamente a las respectivas superficies adyacentes de la membrana 1 1 . A esta relación se hace referencia comúnmente de manera colectiva como el ensamble de membrana y electrodo, o MEA 17. Intercaladas entre la membrana polimérica y las capas porosas de electrodo están una placa de campo de flujo de fluido de ánodo 14 y una placa de campo de flujo de fluido de cátodo 15. Se pueden emplear capas de refuerzo intermedias 12a y 13a, a las cuales se hace referencia también como "difusores" o capas difusoras, entre la placa de campo de flujo de fluido de ánodo 14 y el ánodo 2, y similarmente entre la placa de campo de flujo de fluido de cátodo 15 y el cátodo 13. Las capas de refuerzo son de naturaleza porosa y están fabricadas de manera que aseguren la difusión eficaz de gas a las superficies de ánodo y cátodo, y desde las mismas, a la vez que auxilien en el manejo del vapor de agua y el agua liquida. Las placas de campo de flujo de fluido 14, 15 están formadas de un material no poroso, eléctricamente conductor, a través del cual se puede hacer contacto eléctrico al respectivo electrodo de ánodo 12 o electrodo de cátodo 13. Al mismo tiempo, las placas de campo de flujo de fluido facilitan el suministro y/o el consumo de combustible fluido, y/o producto de reacción a los electrodos porosos 12, 13, o desde los mismos. Esto se efectúa convencionalmente formando pasadizos de flujo de fluido en una superficie de las placas de campo de flujo de fluido, tales como surcos o canales 16 en la superficie presentada a los electrodos porosos 12, 13. Con referencia también a la figura 2A, una configuración convencional de canal de flujo de fluido provee una estructura serpentina 20 en una cara de la placa de campo de flujo de fluido de ánodo 14 (o de cátodo 15) que tiene un orificio de entrada 21 y un orificio de salida 22, como se muestra en la figura 2A. De acuerdo con el diseño convencional, se entenderá que la estructura serpentina 20 comprende un canal 16 en la superficie de la placa 14 (ó 15), mientras que los orificios 21 y 22 comprenden en cada caso una abertura a través de la placa, de manera que se pueda comunicar fluido para su suministro a la estructura serpentina 20, o consumo desde la misma, a través de toda la profundidad de un apilamiento de placas en dirección ortogonal a la placa, como se indica particularmente con la flecha en la sección transversal en A-A mostrada en la figura 2B. Con referencia a la figura 3, en un ensamble convencional de celdas de combustible 30, están formados apilamientos de placas. En esta disposición, las placas adyacentes de campo de flujo de fluido de ánodo y cátodo están combinadas de manera convencional para formar una sola placa bipolar 31 que tiene canales de ánodo 32 sobre una cara y canales de cátodo 33 sobre la cara opuesta, cada una adyacente a un respectivo ensamble de membrana y electrodo (MEA) 34. Las aberturas de orificio de entrada 21 y las aberturas de orificio de salida 22 están completamente sobrepuestas para proveer tubos múltiples de entrada y salida a todo el apilamiento. Los varios elementos del apilamiento están mostrados ligeramente separados por claridad, pero se entenderá para los propósitos de la presente invención que estarán comprimidos entre sí usando empaques obturadores. Haciendo referencia a la figura 4, está mostrada una vista parcial esquemática de un ensamble convencional de MEA y difusores 41 , en el cual están provistas capas difusoras 43 en cada lado del MEA 44. Una serie de orificios de fluido 42 está provista dentro del MEA 44. Esos orificios de fluido 42 están provistos de manera que coincidan con los orificios de fluido en las correspondientes placas de flujo de fluido y empaques los cuales, cuando están ensamblados juntos en un apilamiento, forman tubos múltiples para comunicar fluido en dirección ortogonal a los planos de los MEA. Se usan estos tubos múltiples para transportar fluidos a través de la profundidad del apilamiento a las capas difusoras 43 y desde las mismas. Una sección indicada por la linea A-A' en la figura 4 está mostrada en una vista esquemática parcial en sección transversal en la figura 5. El MEA 44, con capas difusoras 43a, 43b provistas en cada cara, está mostrado ahora situado entre dos placas de campo de flujo de fluido 52a, 52b. Las superficies obturadoras 54a-d están provistas entre el MEA 44 y las placas del flujo de fluido 52a, 52b con dos empaques 51 a, 51 b que están situados en cada lado del MEA 44 y fuera de la región definida por las capas difusoras 43a, 43b. Para evitar dudas, estos obturados de fluido 54a-d, y otros obturaciones de fluido ilustrados más adelante no tienen el propósito de indicar componentes separados de un ensamble de celda de combustible, sino de indicar áreas de contacto con un empaque en donde se forma una obturación de fluido, cuando se somete a compresión el MEA 44, los empaques 51 a, 51 b y las placas de campo de flujo de fluido 52a, 52b. Una plancha de relleno 53 relativamente incompresible puede estar provista sobre una superficie de la placa de flujo de fluido 52a, por ejemplo para permitir el flujo de fluido a una capa difusora 43a, o desde la misma, a través de canales provistos en la plancha de relleno y/o evitar que el empaque 51a cierre los canales provistos en la placa de campo de flujo de fluido 52a, cuando está bajo presión. Puede estar provisto también una obturación de fluido contra la plancha de relleno, aunque esto es menos importante para la operación de la celda de combustible que las obturaciones de fluido 54a-d, ya que el volumen que rodea la plancha de relleno 53 está obturado típicamente de otra manera. Esta obturación de fluido opcional no está indicada por lo tanto en ésta y otras figuras. En la figura 5 y las figuras subsiguientes, la plancha de relleno 53 está mostrada extendiéndose hacia dentro de una región ocupada parcialmente por lo menos por el difusor 43a, el cual puede corresponder por ejemplo a un lado de ánodo o de cátodo al cual se ha de inyectar agua de enfriamiento a través de canales formados dentro de la plancha de relleno 53. Se puede inyectar tal agua de enfriamiento a través de otros orificios (no mostrados) provistos dentro de las placas de campo de flujo de fluido y están también en comunicación de fluido con la plancha de relleno 53. La disposición convencional para el ensamble de celda de combustible, como se muestra en la figura 5, tiene un total de cuatro superficies obturadoras 54a-54d para cada MEA, formadas en dos empaques 51a-51 b separados. Sería ventajoso poder proveer la misma funcionalidad con un número reducido de superficies obturadoras y/o un número reducido de componentes, con el objeto de simplificar el ensamble de una celda de combustible y de reducir el costo total de la celda de combustible. Una manera de reducir el número de componentes es unificar los empaques 51a, 51 b en un solo empaque, como está mostrado esquemáticamente en la figura 6. En esta disposición, las superficies obturadoras 64a, 64d están provistas entre el empaque 61 y las placas de campo de flujo de fluido 52a, 52b, pero las superficies obturadoras 64b, 64c entre el empaque 61 y el MEA 44 están provistos dentro del mismo empaque 61 , haciendo que la sección transversal del empaque 61 esté en forma de c. El empaque 61 moldeado encapsula eficazmente el perímetro exterior del MEA 44. Lograr tal resultado requiere el control estricto de las dimensiones del empaque, de manera que el grosor del empaque 61 sea consistente con la dimensión de funcionamiento del MEA 44, junto con las capas difusoras 43a, 43b. Aunque se puede lograr una reducción del número de componentes, esto es a expensas del aumento de la complejidad del procedimiento de fabricación. Adicionalmente, el herramental y el procesamiento requeridos para crear los empaques 61 moldeados aumentan los costos y la flexibilidad de diseño de la celda de combustible. Es un objeto de la presente invención proveer un diseño de empaque mejorado. De acuerdo con un primer aspecto, la presente invención provee un ensamble de celda de combustible, que comprende: una primera placa de campo de flujo de fluido; una segunda placa de campo de flujo de fluido; una ensamble de electrodo de membrana que tiene una primera y una segunda caras opuestas, interpuestas entre la primera y la segunda placas de campo de flujo de fluido; un empaque que se extiende entre la primera y la segunda placas de campo de flujo de fluido y que forma respectivas primera y segunda superficies obturadoras con las mismas; el empaque definiendo también una tercera superficie obturadora mediante la cual el empaque está en contacto solamente con una cara del ensamble de electrodo de membrana. De acuerdo con un segundo aspecto, la presente invención provee un empaque para obturar las superficies internas de una celda de combustible, que comprende: una primera superficie obturadora y una segunda superficie obturadora en las caras opuestas del empaque; y una tercera superficie obturadora que está enteramente dentro de un límite definido por un perímetro interior de la segunda superficie obturadora; en donde el empaque define un perfil de escalón entre la segunda y la tercera superficies obturadoras. De acuerdo con un tercer aspecto, la presente invención provee un método para formar un ensamble de celda de combustible, que comprende los pasos sucesivos de: (i) proveer una primera placa de campo de flujo de fluido; (ii) colocar un empaque sobre la primera placa de campo de flujo de fluido, el empaque teniendo una primera superficie obturadora, una segunda superficie obturadora y una tercera superficie obturadora, la tercera superficie obturadora estando enteramente dentro de un límite definido por un perímetro interior de la segunda superficie obturadora, la primera superficie obturadora estando colocada contra la primera capa de campo de flujo de fluido; (iii) colocar un ensamble de membrana y electrodo sobre el empaque, una porción de borde de perímetro de una primera superficie del ensamble de membrana y electrodo estando sobre la tercera superficie obturadora del empaque; (iv) posicionar una segunda placa de campo de flujo de fluido sobre el ensamble de membrana y electrodo y el empaque, la segunda placa de campo de flujo de fluido quedando sobre la segunda superficie obturadora y una segunda superficie del ensamble de membrana y electrodo; y (v) aplicar presión compresiva entre la primera y la segunda placas de campo de flujo de fluido a través del empaque y el ensamble de membrana y electrodo para proveer obturaciones de fluido entre (i) la primera superficie obturadora del empaque y la primera placa de flujo de fluido, (ii) la segunda superficie obturadora del empaque y la segunda placa de flujo de fluido, y (iii) la tercera superficie obturadora del empaque y el ensamble de membrana y electrodo, el empaque obturando solamente contra una cara del ensamble de membrana y electrodo. Se describirán ahora modalidades de la presente invención a manera de ejemplo y con referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales: la figura 1 muestra una vista esquemática en sección transversal a través de una parte de una celda de combustible convencional; las figuras 2A-2B muestran respectivamente una vista simplificada en planta y en sección de una placa de campo de flujo de fluido de las celdas de combustible de las figuras 1 ; la figura 3 muestra una vista en sección transversal a través de un apilamiento convencional de celdas de combustible con placas bipolares; la figura 4 muestra una vista esquemática en planta de una porción de un ensamble de membrana y electrodo; la figura 5 muestra una vista esquemática en sección transversal sobre la línea A-A' de una porción del ensamble de membrana y electrodo de la figura 4 situada entre dos placas de campo de flujo de fluido y obturada con empaques convencionales; la figura 6 muestra una vista esquemática en sección transversal de una disposición de empaque para obturar un ensamble de membrana y electrodo; la figura 7 muestra una vista esquemática en sección transversal de una disposición de empaque adicional para obturar un ensamble de membrana y electrodo; la figura 8 muestra una vista esquemática en sección transversal de una disposición de empaque adicional para obturar un ensamble de membrana y electrodo; la figura 9 muestra una vista esquemática en planta de un ensamble de membrana y electrodo en posición sobre una modalidad de un empaque de acuerdo con la invención; la figura 10 muestra una vista en perspectiva de la construcción de parte de un empaque que comprende una pluralidad de cavidades; la figura 1 muestra una vista en sección transversal de una porción del empaque de la figura 10; y la figura 12 muestra una vista esquemática en sección transversal de una porción de un empaque de la figura 10, mientras está bajo una presión aplicada. Los diseños convencionales de las placas de flujo de fluido de ánodo y de cátodo que incorporan canales de flujo de fluido en las caras de las mismas se han discutido ya en relación con las figuras 1 a 3, y la disposición de un empaque típico para su uso con tales placas en relación con las figuras 4 a 6. La presente invención toma en cuenta la observación de que, para obturar una unidad de celdas de combustible con objeto de que funcione, se requiere solamente una obturación de fluido sobre una superficie del MEA, en contraste con ambas superficies del MEA como se muestra en las figuras 5 y 6, y se puede lograr esto con un empaque unitario. Un MEA 44 obturado solamente sobre una superficie 76 está ¡lustrado esquemáticamente en la figura 7, en donde el MEA 44 está obturado contra un empaque 72 a lo largo de una superficie obturadora 74b. Con tal de que esta superficie esté obturada adecuadamente, no es necesario obturar la superficie 75 del MEA contra el empaque 75, ya que la superficie obturadora 74c evita el paso inconveniente del fluido de dentro o de fuera del MEA, y la superficie obturadora 74b evita el paso de fluido de un lado del MEA al otro (la membrana del MEA 44 permitiendo sustancialmente solo conducción protónica). Por lo tanto, el empaque 72, al estar en contacto con ambas placas de campo de flujo de fluido 52a, 52b, obtura eficazmente los compartimientos de cátodo y de ánodo de la celda de combustible (definida en gran parte por las capas difusoras 73a, 73b). Se evita que se mezclen los fluidos en los compartimientos de cátodo y de ánodo mediante una obturación de fluido formada por la superficie obturadora 74b sobre una primera superficie 76 del MEA 44, la superficie de empalme de esta obturación de fluido estando provista entre un perímetro del MEA 44 y el empaque 72. Por lo tanto, se puede ver que el empaque 72 está provisto de una primera superficie obturadora 74a sobre una primera cara de empaque y una segunda superficie obturadora 74c sobre una cara opuesta del empaque 72. El empaque tiene también una tercera superficie obturadora 74b y define un perfil de escalón entre la segunda superficie obturadora y la tercera superficie obturadora. La primera y la segunda superficies obturadoras proveen obturaciones de fluido contra la primera y segunda placas de campo de flujo de fluido, respectivamente. La tercera superficie obturadora 74b provee una obturación de fluido solamente contra una primera cara 76 del MEA 44. La tercera superficie obturadora 74b está sustancialmente paralela en plano a la primera 74a y la segunda 74c superficies obturadoras. Una segunda superficie 75 del MEA no forma una obturación de fluido contra el empaque 72. En el ejemplo mostrado en la figura 7, una primera porción 77 del empaque 72 que se extiende entre la segunda superficie obturadora 74c y la primera superficie obturadora 74a es de un grosor que es mayor que un grosor t2 de una segunda porción 78 del empaque 72 que se extiende entre la tercera superficie obturadora 74b y la primera superficie obturadora 74a. Esta diferencia de grosor (t t2) está diseñada preferiblemente para adecuar el grosor del MEA 44 y de la capa difusora 73b, de manera que se pueda proveer la obturación de fluido 74b sin distorsión significante del material de empaque. Se puede formar el empaque 72 por ejemplo mediante moldeo o cualquier otro procedimiento adecuado que puede resultar en la sección transversal requerida de perfil de escalón con un grosor reducido en la tercera superficie obturadora 74b. Una disposición alternativa de obturación que sigue un principio general similar está mostrada esquemáticamente en la figura 8. En ésta, un empaque 82 es preferiblemente de grosor uniforme al comienzo, es decir cuando no se le ha aplicado alguna presión, pero es del tipo de compresibilidad variable o aumentada. Algunos ejemplos de empaques con compresibilidad variable aumentada están expuestos en la solicitud de patente británica No. 0601986.3. Se puede proveer cavidades por lo menos en una porción de una o ambas superficies del empaque 82 para aumentar la compresibilidad local del material de empaque en esa porción. Por ejemplo, se pueden proveer cavidades por lo menos en la porción del empaque 82 definida por una tercera superficie obturadora 84b. El aumento local de compresibilidad permite que el empaque 82 se comprima aún más bajo la misma presión aplicada. El empaque 82 se puede comprimir por lo tanto a un grosor t2 requerido para adecuar el MEA 44 en la región definida por una tercera superficie obturadora 84b, sin una capacidad reducida de proveer obturaciones de fluido en una primera superficie obturadora 84a y una segunda superficie obturadora 84c. Esta disposición hace posible preferiblemente que la tercera superficie obturadora 84b quede en ángulo oblicuo parcialmente por lo menos en relación con la primera 84a y la segunda 84c superficies obturadoras para evitar la distorsión indebida del MEA 44. El uso de una región de grosor reducido, como en la figura 7, o una región de compresibilidad aumentada, por ejemplo mediante una pluralidad de cavidades como en la figura 8, o una combinación de ambos, facilita una obturación adecuada de fluido alrededor del MEA 44, usando un solo empaque sin requerir un perfil "reentrante" o en forma de c, como en el empaque 61 de la figura 6. En ambas modalidades de las figuras 7 y 8, se puede ver que la tercera superficie obturadora 74b, 84b está adyacente hacia dentro a la segunda superficie obturadora 74c, 84c, expresión que tiene por objeto indicar que la tercera superficie obturadora está hacia el centro de la celda de combustible, en comparación con la segunda superficie obturadora.

Una ventaja de la presente invención, como se describe anteriormente, es que se reduce el número de componentes requeridos para obturar una celda de combustible mediante una reducción del número de superficies obturadoras. Otras ventajas incluyen una reducción de la complejidad del ensamble de tal celda de combustible y un diseño de MEA potencialmente costeable mediante una reducción del área total del MEA. La invención hace posible también formar una celda de combustible en capas sucesivas, como se detalla a continuación. La figura 9 ilustra esquemáticamente una disposición que muestra como un MEA 91 , con una capa difusora 93 en ambos lados del mismo, puede posicionarse en su lugar sobre un empaque 82. El MEA en este ejemplo es de tamaño reducido en comparación al mostrado en la figura 4. Un perímetro exterior 95 del MEA 91 se encuentra sobre el empaque 82, de tal manera que un perímetro interior 96 del empaque 82 se encuentra enteramente dentro del perímetro exterior de MEA 95. Cuando está en su lugar entre las dos placas de campo de flujo de fluido 52a, 52b, la tercera superficie obturadora 84b está provista sobre una superficie periférica interior del empaque 82 extendiéndose entre el perímetro exterior de MEA 95 y el perímetro interior del empaque 96, proveyendo así una obturación de fluido entre la superficie periférica interior del empaque 82 y una superficie periférica exterior del MEA 91. En un aspecto general, el empaque 82 no tiene cara interior reentrante para obturar contra el MEA 44. Haciendo referencia a las figuras 7 y 8, se puede formar un apilamiento de celdas de combustible que comprende el empaque 72, 82, colocando por capas y en secuencia la placa de campo de flujo de fluido 52a, el empaque 72, 82, la capa difusora 73a, 83a, el MEA 44, la capa difusora 73b, 83b y la placa de campo de flujo de fluido 52b. No es necesario formar previamente el empaque sobre el MEA y no es necesario por lo tanto fabricarlo con una configuración exacta de celda. Una modalidad preferida, en la cual un empaque 82 está provisto de una pluralidad de cavidades próxima por lo menos a un porción de una o ambas superficies, está ilustrada adicionalmente en las figuras 10 a 12. La figura 10 ilustra una porción representativa de un empaque 53 adecuado para la presente invención. El empaque 153 tiene una primera superficie obturadora 154 y una segunda superficie obturadora 155. Una primera pluralidad de cavidades 156 está provista dentro del empaque 153 en la primera superficie obturadora y se extiende sobre la porción del empaque. Las cavidades 156 se extienden en ordenación regular sobre la porción del empaque 153 mostrado. También está mostrada una segunda pluralidad de cavidades 157 provista dentro del empaque en la segunda superficie 155, que es en este ejemplo sustancialmente similar en cuanto a tamaño y disposición a la primera pluralidad de cavidades. Aunque las cavidades 156 están mostradas en la figura 10 como estando provistas en la superficie 154, en otras modalidades las cavidades 156 pueden estar provistas debajo de la superficie 54, pero suficientemente cerca de la superficie, con objeto de influir en la comprensibilidad local de superficie mediante el grosor del empaque 153. La superficies obturadoras 154, 155 del empaque están definidas como siendo aquellas superficies que entran en contacto con la superficie de un componente al cual se ha de obturar el empaque. La superficie obturadora no incluye por lo tanto generalmente la superficie interior de las cavidades 156, 157. Sin embargo, conforme se aumente la presión aplicada al empaque 153, una proporción de la superficie interior de las cavidades 156, 157, puede convertirse en parte de la superficie obturadora del empaque 153, proporción que aumenta con la presión aplicada aumentada. El término "densidad de cavidades" se usa en la presente como medida del número de cavidades presentes sobre cualquier área definida del empaque 153. La densidad de cavidades sobre una primera superficie obturadora 154 de una porción del empaque 153 puede ser diferente de una densidad de cavidades de una segunda superficie obturadora 155 de la misma porción del empaque 153. Por ejemplo, si el área de la superficie obturadora 154 del empaque 153 de la figura 10 es de 1 cm2 y el número de cavidades es de 36, la densidad de cavidades sobre la primera superficie obturadora es de 36 cm"2. El término "volumen de cavidad", como se usa en la presente, es el volumen vacío total de cualquier cavidad dada, que se pueda dar útilmente en términos de una cifra medida de cavidades en el empaque 153 o cierta región del mismos.

Se reconocerá que la densidad de cavidades y el volumen de cavidad en una región del empaque determinarán, en parte por lo menos en cada caso la compresibilidad de la región del empaque. El empaque de la presente invención comprende preferiblemente un material compresible que, en uso, tiene suficiente compresibilidad para obturar contra varias superficies internas de un ensamble de celda de combustible en el cual se haya de usar el empaque. El término "material compresible" tiene por objeto incluir materiales sólidos que se deforman significantemente bajo presión compresiva aplicada y cuyas propiedades mecánicas físicas puedan caracterizarse por una combinación de deformación elástica, es decir recuperable, y plástica, es decir permanente y no recuperable, bajo una presión aplicada. Los efectos dependientes del tiempo, tales como deformación permanente por fatiga y viscoelasticidad, pueden definir también en parte las propiedades del material compresible. Un aumento de la compresibilidad de una región del empaque corresponderá a una reducción de la presión necesaria para comprimir el grosor total de la región en el mismo grado. Expresado de manera alternativa, la misma presión aplicada hará que se reduzca el grosor total de esa región en mayor grado. Mostrada en la figura 1 1 está una vista en sección transversal de una disposición asimétrica alternativa de cavidades 162, 163 en un empaque 161 adecuada para la presente invención, en la cual los volúmenes de la cavidad son diferentes en la primera superficie obturadora 164 y la segunda superficie obturadora 165. Las cavidades 162 próximas a la primera superficie obturadora 164 son de diferentes dimensiones a las de las cavidades 163 próximas a la segunda superficie obturadora 165. El resultado de ese tipo de variación del volumen de cavidad será que el material de empaque 166 entre las cavidades 163 más grandes es capaz de comprimir aún más que el material de empaque 167 entre las cavidades 162 más pequeñas bajo la misma presión aplicada. Se puede obtener un efecto similar al mostrado en la figura 1 1 , en lugar de alterar el volumen medio de cavidad debajo de cada una de la primera 164 y la segunda 165 superficies obturadoras, alterando la separación entre las cavidades y afectando así la densidad de cavidades. La densidad de cavidades y/o los volúmenes de cavidad pueden ser diferentes por lo menos en porciones opuestas de superficie seleccionadas del empaque próximo a la primera 164 y la segunda 165 superficies obturadoras, las porciones opuestas de superficie siendo regiones seleccionadas de la primera 164 y la segunda 165 superficies obturadoras que son sustancialmente coextensivas en las superficies obturadoras opuestas del empaque 161 . En tal disposición asimétrica en el empaque 161 de la figura 1 1 , las propiedades de adhesión de la superficie se pueden desviar consecuentemente hacia una superficie. El área de contacto de una superficie obturadora 164 del empaque 161 , en comparación con la otra superficie obturadora 165, tendrá a preferir la adherencia a una superficie sobre la otra, sin la necesidad de adhesivos o preparaciones de superficie. Mostrada en la figura 12 está una vista esquemática en sección transversal del comportamiento de tal empaque 161 bajo compresión entre un componente superior 177 y un componente inferior 176. El empaque 161 está situado entre dos superficies de componente 174, 175. Sobre la superficie inferior de componente 174 está situado un elemento característico de superficie 173, el cual resalta del plano de la superficie de componente 174. La aplicación de presión en la dirección indicada con la flecha 171 hace que el material de empaque en la región compensadora 162 comprima aún más que el material fuera de la región compensadora. La compresión adicional del empaque es recibida dentro del volumen del empaque mismo y no causa algún pandeo adicional alrededor del perímetro externo del empaque 161. Las cavidades 163 permiten que el material de empaque circundante dentro de la región conversadora 172 se pandee hacia las cavidades 163 a lo largo de direcciones ortogonales a la dirección de la aplicación de fuerza. El elemento característico de superficie 163 puede ser, por ejemplo, una lámina o plancha de relleno de material relativamente incompresible, tal como una lámina de distribución de agua, posicionada para cubrir regiones seleccionadas de la placa de flujo de fluido. Preferiblemente, para el propósito de la presente invención, el elemento característico de superficie es el del borde del perímetro 95 del MEA 91 , como se describe en relación con la figura 9. Puesto que el empaque 161 se puede deformar compresiblemente alrededor del elemento característico de superficie 173, el obturador alrededor del elemento característico y de superficie 163 no se expone por su presencia. El empaque 153, 161 puede comprender preferiblemente cavidades rectangulares 156, 157, 162, 163 dispuestas en ordenación regular, por ejemplo un patrón cuadrado espaciado de manera sustancialmente uniforme, como se muestra en la figura 10. Se contemplan también otros tipos de patrones repetitivos regulares, tales como patrones hexagonales o triangulares. Se contempla también que patrones no repetitivos o distribuciones aleatorias de cavidades, que se puedan caracterizar también por una densidad de cavidades y un volumen medio de cavidad, están dentro del alcance de la invención. Se ha de entender el término "cavidades" tiene por objeto abarcar definiciones que son aplicables a ordenaciones de cavidades individualmente aisladas a través de un empaque, así como a ordenaciones de cavidades interconectadas formadas dentro de ordenaciones de pilares individualmente aislados u otros elementos característicos en relieve. Un empaque de la presente invención puede comprender uno o ambos tipos de cavidades por lo menos a través de una porción de una o más superficies obturadoras. Se contempla que se puede usar una variedad de materiales convencionales de empaque en la presente invención, tales como silicona, nitrilo o gomas butílicas. Sin embargo, se pueden usar también otros materiales, tales como PTFE expandido.

El grosor del empaque es preferiblemente menor a 0 mm. Más preferiblemente, el grosor de empaque no comprimido se encuentra entre 0.1 y 3 mm, y más preferiblemente todavía entre 0.1 y 1 mm. Preferiblemente, el volumen de cavidad de las cavidades 156, 157, 162, 163 es menor a 5 mm3, y más preferiblemente se encuentra dentro del intervalo de 0.001 a 1 mm3. Las cavidades son preferiblemente de forma sustancialmente cuboide, aunque las cavidades pueden ser de cualquier forma adecuada y pueden tener preferiblemente también una dimensión lineal media dentro del intervalo de 0.1 a 1 mm. Se forman preferiblemente las cavidades de un empaque 53, 61 de la presente invención, aplicando una textura a las superficies de un empaque de grosor uniforme. Se puede realizar esta texturización moldeando por compresión el empaque, por ejemplo entre dos platinas conformadas bajo condiciones de calor y presión, con objeto de deformar plásticamente el material de empaque dándole la forma requerida. Alternativamente, se pueden usar varios procedimientos conocidos en la técnica para formar el material de empaque de la presente invención, tales como colado, moldeo por inyección o laminado/calandrado usando rodillos texturizados. Las cavidades descritas anteriormente pueden estar provistas por lo menos en una porción de un empaque de la presente invención. Por ejemplo, las cavidades pueden estar provistas sobre la región de un empaque que defina la tercera superficie obturadora 84b, de tal manera que se pueda adecuar el grosor adicional del MEA 44 en esa región. Alternativamente, las cavidades pueden estar provistas sobre una mayor porción de una superficie del empaque, o sobre porciones o la totalidad de ambas superficies. Se contempla que otras modalidades están dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims

NOVEDAD DE LA INVENCION REIVINDICACIONES

1 .- Un ensamble de celda de combustible, que comprende: una primera placa de campo de flujo de fluido; una segunda placa de campo de flujo de fluido; una ensamble de electrodo de membrana que tiene una primera y una segunda caras opuestas, interpuestas entre la primera y la segunda placas de campo de flujo de fluido; un empaque que se extiende entre la primera y la segunda placas de campo de flujo de fluido y que forma respectivas primera y segunda superficies obturadoras con las mismas; el empaque definiendo también una tercera superficie obturadora mediante la cual el empaque está en contacto solamente con una cara del ensamble de electrodo de membrana.

2.- El ensamble de celda de combustible de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la tercera superficie obturadora está adyacente hacia dentro a la segunda superficie obturadora.

3. - El ensamble de celda de combustible de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la tercera superficie obturadora es sustancialmente paralela en plano a la segunda superficie obturadora.

4. - El ensamble de celda de combustible de conformidad con la reivindicación , caracterizado además porque

5. - El ensamble de celda de combustible de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el empaque define un perfil de escalón entre la segunda y la tercera superficies obturadoras.

6. - El ensamble de celda de combustible de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el empaque tiene una región de compresibilidad aumentada próxima a la tercera superficie obturadora, en comparación con la segunda superficie obturadora.

7. - Un empaque para obturar las superficies internas de una celda de combustible, que comprende: una primera superficie obturadora y una segunda superficie obturadora en las caras opuestas del empaque; y una tercera superficie obturadora que está enteramente dentro de un límite definido por un perímetro interior de la segunda superficie obturadora; en donde el empaque define un perfil de escalón entre la segunda y la tercera superficies obturadoras.

8.- El empaque de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado además porque una primera porción del empaque que se extiende entre la segunda superficie obturadora y una parte correspondiente de la primera superficie obturadora es de un grosor que es mayor al de una segunda porción del empaque que se extiende entre la tercera superficie obturadora y una parte correspondiente de la primera superficie obturadora.

9.- El empaque de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado además porque está provista una pluralidad de cavidades próxima a la tercera superficie obturadora para proveer compresibilidad aumentada de una porción del empaque en la tercera superficie obturadora.

10. - El empaque de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado además porque está provista una pluralidad de cavidades próxima a la primera y a la segunda superficies obturadoras para proveer compresibilidad aumentada de porciones del empaque respectivamente en la primera y en la segunda superficies obturadoras. 1 1 . - Un método para formar un ensamble de celda de combustible, que comprende los pasos sucesivos de: (i) proveer una primera placa de campo de flujo de fluido; (ii) colocar un empaque sobre la primera placa de campo de flujo de fluido, el empaque teniendo una primera superficie obturadora, una segunda superficie obturadora y una tercera superficie obturadora, la tercera superficie obturadora estando enteramente encerrada dentro de un límite definido por un perímetro interior de la segunda superficie obturadora, la primera superficie obturadora estando colocada contra la primera capa de campo de flujo de fluido; (iii) colocar un ensamble de membrana y electrodo sobre el empaque, una porción de borde de perímetro de una primera superficie del ensamble de membrana y electrodo estando sobre la tercera superficie obturadora del empaque; (iv) posicionar una segunda placa de campo de flujo de fluido sobre el ensamble de membrana y electrodo y el empaque, la segunda placa de campo de flujo de fluido quedando sobre la segunda superficie obturadora y una segunda superficie del ensamble de membrana y electrodo; y (v) aplicar presión compresiva entre la primera y la segunda placas de campo de flujo de fluido a través del empaque y el ensamble de membrana y electrodo para proveer obturaciones de fluido entre (i) la primera superficie obturadora del empaque y la primera placa de flujo de fluido, (ii) la segunda superficie obturadora del empaque y la segunda placa de flujo de fluido, y (¡ii) la tercera superficie obturadora del empaque y el ensamble de membrana y electrodo, el empaque obturando solamente contra una cara del ensamble de membrana y electrodo. 12.- El método de conformidad con la reivindicación 1 1 , caracterizado además porque incluye adicionalmente los pasos de: colocar una primera capa difusora sobre la primera placa sobre la primera placa de flujo de fluido dentro de la periferia interior del empaque, después del paso (i) o del paso (ii); y colocar una segunda capa difusora sobre el ensamble de membrana y electrodo después del paso (iii).