Juntas de compresibilidad variable.

Una junta (90, 120) formada de un material compresible y que tiene una primera superficie de sellado y una segunda superficie de sellado para proporcionar un sello para fluidos entre un primer componente y un segundo componente,

comprendiendo la junta:

una pluralidad de cavidades (56) proporcionadas cerca de la primera y/o segunda superficies de sellado y que se extienden sobre al menos una primera porción de la junta para proporcionar una mayor compresibilidad de la junta en la primera porción, en donde la primera porción de la junta comprende una región de células cerradas (122) que tiene una pluralidad de dichas cavidades (56) aisladas entre sí, y en donde una segunda porción de la junta comprende una región de células abiertas (121) que tienen una pluralidad de cavidades interconectadas entre sí y que forman una pluralidad de canales de alimentación de fluido (91, 92, 94, 131) proporcionadas dentro de la junta cerca de la primera superficie de sellado, teniendo cada canal de alimentación de fluido una profundidad que se extiende al menos parcialmente a través de la junta.

Juntas de compresibilidad variable La presente invención se refiere a juntas y, en particular, a juntas para su uso en conjuntos de células de combustible.

Las células de combustible electroquímicas convencionales convierten combustible y oxidante en energía eléctrica y un producto de reacción. En la figura 1 se muestra un despliegue típico de una célula de combustible convencional 10 que, por claridad, ilustra las diversas capas de forma despiezada. Una membrana de transferencia de ión de polímero sólido 11 está intercalada entre un ánodo 12 y un cátodo 13. Normalmente, el ánodo 12 y el cátodo 13 se forman ambos a partir de un material poroso eléctricamente conductor tal como carbono poroso, al que se unen pequeñas partículas de platino y/u otro catalizador de metal precioso. El ánodo 12 y el cátodo 13 a menudo se unen directamente a las superficies adyacentes respectivas de la membrana 11. Esta combinación se denomina comúnmente conjunto membrana-electrodo o MEA.

Entre medias de la membrana de polímero y las capas de electrodo porosos hay una placa de campo de flujo de fluido anódica 14 y una placa de campo de flujo de fluido catódica 15. Pueden emplearse también capas de refuerzo intermedias 12a y 13a entre la capa de campo de flujo de fluido anódica 14 y el ánodo 12 y, análogamente, entre la placa de campo de flujo de fluido catódica 15 y el cátodo 13. Las capas de refuerzo son de naturaleza porosa y se fabrican para asegurar una difusión eficaz de gas hacia y desde la superficie del ánodo y el cátodo, así como para asistir a la manipulación de vapor de agua y agua líquida.

Las placas de campo de flujo de fluido 14, 15 se forman a partir de un material no poroso eléctricamente conductor mediante el cual puede hacerse contacto eléctrico con el electrodo de ánodo 12 o el electrodo de cátodo 13 respectivo. Al mismo tiempo, las placas de campo de flujo de fluido facilitan el suministro y/o escape de combustible fluido, oxidante y/o producto de reacción hacia o desde los electrodos porosos 12, 13. Esto se efectúa convencionalmente formando pasajes de flujo de fluido en una superficie de las placas de campo de flujo de fluido, tal como surcos 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 de fluido proporciona una estructura serpenteante 20 en una cara del ánodo 14 (o el cátodo 15) que tiene un colector de entrada 21 y un colector de salida 22, como se muestra en la figura 2 (a) . De acuerdo con un diseño convencional, se entenderá que la estructura serpenteante 20 comprende un canal 16 en la superficie de la placa 14 (o 15) , mientras que los colectores 21 y 22 comprenden cada uno una abertura a través de la placa, de manera que el flujo para suministrar a o extraer del canal 20 puede comunicarse a través de la profundidad de un apilamiento de placas en una dirección ortogonal a la placa como se indica particularmente por la flecha en la sección transversal A-A mostrada en la figura 2 (b) .

Con referencia a la figura 3, en conjuntos de célula de combustible convencionales 30, se construyen apilamientos de placas. En esta disposición, se combinan placas de campo de flujo de fluido anódicas y catódicas adyacentes de una manera convencional para formar una sola placa bipolar 31 que tiene canales de ánodo 32 en una cara y canales de cátodo 33 en la cara opuesta, cada una adyacente a un conjunto membrana-electrodo (MEA) 34 respectivo. Las aberturas de colector de entrada 21 y aberturas de colector de salida 22 están todas superpuestas para proporcionar colectores de entrada y salida a todo el apilamiento. Los diversos elementos del apilamiento se muestran ligeramente separados por claridad, aunque se entenderá para los fines de la presente invención que se comprimirán entre sí usando juntas de sellado.

En referencia a la figura 4a, una cara de ánodo de un conjunto de membrana-electrodo 40 tiene superpuesta una junta de estanqueidad 41 alrededor de su perímetro. La junta de estanqueidad 41 incluye dos aberturas 42, 43 alrededor de un puerto de entrada de fluido 44 y un puerto de salida de fluido 45 en una periferia de la cara del ánodo del MEA 40. Una placa de ánodo eléctricamente conductora 46 (mostrada en línea discontinua en la figura 4b y ligeramente separada por claridad, pero omitida en la figura 4a para poner de manifiesto las estructuras que hay debajo) cubre la junta de estanqueidad 41.

La cara del ánodo del MEA 40, la junta de estanqueidad 41 y la placa de ánodo 46 definen juntas un volumen 47 de contención de fluido entre el puerto de entrada de fluido 44 y el puerto de salida de fluido 45. El volumen de contención de fluido se efectúa mediante la impermeabilidad de la placa de ánodo 46 y la junta de estanqueidad 41 junto con una permeabilidad limitada del MEA (es decir, permitiendo sustancialmente solo el flujo de iones) . Dentro de este volumen de contención 47 se extiende una lámina de material difusor 48. La lámina de material difusor se corta a una forma que da como resultado la formación de una o más cámaras impelentes 49, 50, definidas entre un borde lateral 51, 52 de la lámina 48 y la junta de estanqueidad 41. Más particularmente, como se muestra en la figura 4, la primera cámara impelente 49 constituyen una cámara impelente de entrada que se extiende alrededor de una parte principal del borde lateral periférico 51 de la lámina 48 de material difusor (es decir, la mayor parte de los tres lados) . La segunda cámara impelente 50 constituye una cámara impelente de salida que se extiende alrededor de una parte minoritaria del borde lateral periférico 52 de la lámina 48 de material difusor.

Las juntas convencionales, que tienen un espesor y composición uniformes, normalmente serán suficientes cuando las superficies de sellado son uniformemente planas y paralelas. Una compresión uniforme aplicada sobre la superficie de sellado puede proporcionar entonces un sello adecuado. Sin embargo, en ciertas circunstancias, el uso de tal junta convencional puede que no sea óptimo. Por ejemplo, cuando se tienen que incluir elementos superficiales tales como componentes adicionales en una superficie de sellado, la compresibilidad uniforme de una junta dará como resultado una presión no uniforme a través del área de la junta. Las regiones de distancia reducida entre las superficies de sellado, por ejemplo, debido a las protuberancias superficiales se someterán a mayores presiones y las regiones de mayor distancia entre las superficies de sellado, por ejemplo, que rodean tales protuberancias, se someterán a presiones correspondientemente menores. Esto puede reducir la fiabilidad y/o eficacia de un sello. Asimismo, una junta convencional puede tener una tendencia a hincharse en los bordes del área de sellado bajo presión, desplazando el material de la junta fuera del área de sellado.

Para un material de junta convencional, pueden necesitarse por tanto altas presiones para asegurar que se obtiene un sello adecuado. Para juntas finas, en particular, la presión requerida puede ser incluso mayor, puesto que la comprensibilidad de la junta se reduce. Como alternativa, pueden aumentarse los requisitos para que las superficies de sellados tengan una planicidad y paralelismo con mayores tolerancias.

A altas presiones, una junta puede someterse también a una deformación permanente del material que, con el tiempo, puede reducir la eficacia del sello. Esta reducción en la eficacia también puede verse empeorada por los ciclos términos.

Una solución a los problemas mencionados anteriormente es crear juntas modificadas técnicamente tridimensionales conformadas específicamente para adaptarse a las superficies contoneadas. Sin embargo, estas juntas pueden ser prohibitivamente caras y, al ser de espesor variable, ni siquiera proporcionan un sello suficientemente uniforme en ciertas circunstancias tal como en las células de combustible ejemplares mostradas en este documento.

Otra solución es aumentar la compresibilidad del material de junta, para acomodar superficies no uniformes y permitir una presión de sellado reducida. Sin embargo, tales juntas pueden tener una tendencia indeseable aumentada a desplazarse fuera del área de sellado.

Hay por lo tanto una necesidad de una junta que pueda sellarse eficazmente contra superficies no uniformes, que tenga una tendencia reducida a desplazarse fuera del área de sellado, que pueda sellarse a presiones de sellado menores y que tenga un coste de fabricación reducido en comparación con las juntas modificadas técnicamente tridimensionales.

El documento US 2003/0091885 A1 desvela un conjunto de junta de membrana electrolítica para una célula de combustible,... [Seguir leyendo]

1. Una junta (90, 120) formada de un material compresible y que tiene una primera superficie de sellado y una segunda superficie de sellado para proporcionar un sello para fluidos entre un primer componente y un segundo 5 componente, comprendiendo la junta:

una pluralidad de cavidades (56) proporcionadas cerca de la primera y/o segunda superficies de sellado y que se extienden sobre al menos una primera porción de la junta para proporcionar una mayor compresibilidad de la junta en la primera porción, en donde la primera porción de la junta comprende una región de células cerradas (122) que tiene una pluralidad de dichas cavidades (56) aisladas entre sí, y en donde una segunda porción de la junta comprende una región de células abiertas (121) que tienen una pluralidad de cavidades interconectadas entre sí y que forman una pluralidad de canales de alimentación de fluido (91, 92, 94, 131) proporcionadas dentro de la junta cerca de la primera superficie de sellado, teniendo cada canal de alimentación de fluido una profundidad que se extiende al menos parcialmente a través de la junta.

2. La junta (90, 120) de la reivindicación 1 en la que la densidad de la cavidad y/o de los volúmenes de la cavidad varía a través de al menos una de la primera y segunda superficies de sellado.

3. La junta (90, 120) de la reivindicación 1 en la que la densidad de la cavidad y/o de los volúmenes de la cavidad es 20 diferentes en la primera y segunda superficies de sellado.

4. La junta (90, 120) de la reivindicación 3 en la que la densidad de la cavidad y/o de los volúmenes de la cavidad es diferente en las porciones de superficie opuestas seleccionadas de la junta.

5. La junta (90, 120) de la reivindicación 1 en la que las cavidades están dispuestas en una o más series regulares.

6. La junta (90, 120) de cualquiera reivindicación anterior en la que las cavidades (56) tienen una dimensión lineal promedio dentro del intervalo de 0, 1 a 1 mm.

7. La junta (90, 120) de cualquier reivindicación anterior en la que las cavidades (56) tienen un volumen promedio dentro del intervalo de 0, 001 a 1 mm3.

8. La junta (90, 120) de cualquier reivindicación anterior en la que las cavidades (56) son de forma sustancialmente cuboide. 35

9. La junta (90, 120) de la reivindicación 8 en la que la pluralidad de canales de alimentación de fluido (131) están conectados de forma fluida a una abertura que comprende un puerto de entrada y/o salida de fluido (44, 45) .

10. La junta (90, 120) de la reivindicación 9 en la que la pluralidad de los canales de alimentación de fluido (131)

están adaptados para estar conectados de forma fluida a un conjunto membrana-electrodo (40) de una célula de combustible (30) .

11. La junta (90, 120) de cualquier reivindicación anterior en la que la junta comprende una primera capa de material compresible en la que se proporciona la pluralidad de cavidades y en donde la junta comprende además una 45 segunda capa de material relativamente incompresible cerca de la primera capa.

12. Un método para sellar una célula de combustible, que comprende:

proporcionar una junta (90, 120) de acuerdo con la reivindicación 1;

colocar la junta entre una placa de campo de flujo de fluido (46) y un conjunto de membrana-electrodo (40) ; y aplicar presión de compresión entre la placa de campo de flujo de fluido (46) y el conjunto de membranaelectrodo (40) a través de la junta (90, 120) para proporcionar un sello para fluidos entre ellos.

13. Una célula de combustible que comprende:

un conjunto membrana-electrodo (40) ; una placa de campo de flujo de fluido (46) ; y una junta (90, 120) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11.