MX2008010014A - Empaques de compresibilidad variable - Google Patents

Abstract

Un empaque formado de material comprimible y que tienen una primera superficie de sellado y una segunda superficie de sellado para proveer un sello fluido entre un primer componente y un segundo componente, una pluralidad de cavidades provista dentro del empaque de manera próxima a la primera y/o segunda superficies de sellado y que se extiende sobre al menos una primera porción del empaque para proveer compresibilidad incrementada del empaque en la primera porción.

Description

EMPAQUES DE COMPRESIBILIDAD VARIABLE MEMORIA DESCRIPTIVA La presente invención se refiere a empaques, y en particular, empaques para uso en ensambles de celdas de combustible. Las celdas de combustible electroquímicas convencionales convierten combustible y oxidante en energía eléctrica y un producto de reacción. Una presentación típica de una celda de combustible convencional 10 se muestra en la figura 1 la cual, por cuestiones de claridad, ilustra las diversas capas en forma esquemática. Una membrana de transferencia iónica polimérica sólida 11 está insertada entre un ánodo 12 y un cátodo 13. Por lo regular, el ánodo 12 y el cátodo 13 están ambos formados de un material poroso eléctricamente conductor tal como carbón poroso, al cual se unen pequeñas partículas de platino y/u otros catalizadores de metales preciosos. El ánodo 12 y cátodo 13 con frecuencia se unen directamente a las superficies adyacentes respectivas de la membrana 11. Esta combinación es comúnmente referida como el ensamble de membrana - electrodo, o MEA. La inserción de la membrana polimérica y capas de electrodos porosos es una placa de campo de flujo de fluido de ánodo 14 y una placa de campo de flujo de fluido de cátodo 15. Las capas de refuerzo intermedias 12a y 13a también se pueden emplear entre la placa de campo de flujo de fluido de ánodo 14 y el ánodo 12 y de manera similar entre la placa de campo de flujo de fluido de cátodo 15 y el cátodo 13. Las capas de refuerzo son de una naturaleza porosa y están fabricadas para asegurar una difusión efectiva de gas hacia y desde las superficies del ánodo y cátodo asi como para ayudar en el manejo de vapor de agua y agua líquida. 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 con el electrodo de ánodo respectivo 12 o electrodo de cátodo 13. 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 y desde los electrodos porosos 12, 13. Esto se realiza convencionalmente al formar pasos de flujo de fluido en una superficie de las placas de campo de flujo de fluido, tales como ranuras o canales 51 en la superficie presentada a los electrodos porosos 12, 13. Haciendo referencia también a la figura 2a, un configuración convencional de canal de flujo de fluido provee una estructura de serpentina 20 en una cara del ánodo 14 (o cátodo 15) que tiene un múltiple de entrada 21 y un múltiple de salida 22 como se muestra en la figura 2a. De acuerdo con el diseño convencional, se entenderá que la estructura de serpentina 20 comprende un canal 16 en la superficie de la placa 14 (o 15), mientras que los múltiples 21 y 22 comprenden cada uno una abertura a través de la placa de manera que el fluido para suministro hacia, o escape desde, el canal 20 se puede comunicar a través de la toda la profundidad de una pila de placas en una dirección ortogonal a la placa como se indica particularmente con la flecha en la sección transversal en A-A mostrado en la figura 2b. Con referencia a la figura 3, en ensambles de celda de combustible convencionales 30, se incorporan pilas de placas. En esta disposición, las placas adyacentes de campos de flujo de fluido de ánodo y cátodo se combinan de modo 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 ensamble respectivo de membrana-electrodo (MEA) 34. Las aberturas del múltiple de entrada 21 y aberturas del múltiple de salida 22 están todas recubiertas para proveer los múltiples de entrada y salida a toda la pila. Los diversos elementos de la pila se muestran ligeramente separados para efectos de claridad, aunque se entenderá para los propósitos de la presente invención, que serán comprimidos en conjunto utilizando empaques de sellado. Haciendo referencia a la figura 4, una cara de ánodo de un ensamble de membrana - electrodo 40 está recubierta con un empaque de sellado 41 alrededor de su perímetro. El empaque de sellado 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 trazado punteado en la figura 4b y ligeramente separada por cuestiones de claridad, pero omitida en la figura 4a para revelar las estructuras de abajo) recubre el empaque de sellado 41.

La cara de ánodo del MEA 40, el empaque de sellado 41 y la placa de ánodo 46 definen en conjunto un volumen de contención de fluido 47 entre el puerto de entrada de fluido 44 y el puerto de salida de fluido 45. El volumen de contención de fluido se realiza a través de la impermeabilidad de la placa de ánodo 46 y empaque de sellado 41 junto la permeabilidad limitada del MEA (es decir, dejando sustancialmente sólo flujo iónico). Dentro de este volumen de contención 47 se extiende una hoja de material difusor 48. La hoja de material difusor está cortada en una forma la cual da como resultado la formación de una o más cámaras 49, 50 definidas entre un borde lateral 51 , 52 de la hoja 48 y el empaque de sellado 41. En particular, como se muestra en la figura 4, la primera cámara 49 constituye una cámara de entrada que se extiende alrededor de una porción principal del borde lateral periférico 51 de la hoja 48 del material difusor (es decir, la mayoría de los tres lados). La segunda cámara 50 constituye una cámara de salida que se extiende alrededor de una porción menor del borde lateral periférico 52 de la hoja 48 de material difusor. Los empaques convencionales, siendo de grosor y composición uniformes, normalmente bastarán cuando las superficies de sellado sean uniformemente planas y paralelas. Una compresión uniforme aplicada sobre las superficies de sellado puede entonces proveer un sello adecuado. Sin embargo, en ciertas circunstancias el uso de dicho empaque convencional puede no ser óptimo. Por ejemplo, cuando se van a incluir características de superficie tales como componentes adicionales en una superficie de sellado, la compresibilidad uniforme de un empaque dará como resultado una presión no uniforme a través del área del empaque. Las regiones de distancia reducida entre superficies de sellado, por ejemplo debido a protuberancias de superficie, serán sometidas a presiones más altas, y las regiones de distancia incrementada entre superficies de sellado, por ejemplo que rodean dichas protuberancias, serán sometidas a presiones en consecuencia inferiores. Esto puede reducir la confiabilidad y/o eficacia de un sello. Además, un empaque convencional puede tener la tendencia de expandirse en los bordes del área de sellado bajo presión, desplazando el material de empaque fuera del área de sellado. Para un material de empaque convencional, por lo tanto pueden ser necesarias presiones altas para asegurar que se obtenga un sello adecuado. Para empaques delgados en particular, la presión requerida puede ser incluso mayor, debido a que la compresibilidad del empaque es reducida. Alternativamente, se pueden incrementar los requisitos para que las superficies tengan un carácter plano y un paralelismo con una tolerancia más amplia. Bajo altas presiones, un empaque también puede ser sometido a escurrimiento de material el cual, con el tiempo, pudiera reducir la efectividad del sello. Esta reducción en efectividad también puede ser exacerbada por el ciclo térmico. Una solución a los problemas antes mencionados es crear empaques tridimensionales de diseño especial específicamente configurados para adecuarse a superficies perfiladas. Sin embargo, estos empaques pueden ser prohibitivamente costosos y siendo de un grosor variable, pueden no proveer incluso un sello suficientemente uniforme en ciertas circunstancias tales como en el ejemplo de celdas de combustible mostrado en la presente. Otra solución es incrementar la compresibilidad del material de empaque, con el fin de adecuarse a superficies no uniformes y permitir una presión de sellado reducida. Sin embargo, dichos empaques pueden tener una tendencia incrementada indeseable a desplazarse fuera del área de sellado. Por lo tanto, existe la necesidad de un empaque que se pueda sellar efectivamente contra superficies no uniformes que tenga una tendencia reducida a desplazarse fuera del área de sellado, que sea capaz de sellar bajo presiones de sellado inferiores y que tenga un costo reducido de fabricación en comparación con empaques tridimensionales de diseño especial. Es un objetivo de la presente invención proveer un empaque que supere uno o más de los problemas de los empaques de la técnica anterior. De acuerdo con un primer aspecto, la presente invención provee un empaque formado de material comprimible y que tiene una primera superficie de sellado y una segunda superficie de sellado para proveer un sello de fluido entre un primer componente y un segundo componente, una pluralidad de cavidades provista de manera próxima a la primera y/o segunda superficies de sellado y que se extiende sobre al menos una primera porción del empaque para proveer compresibilidad incrementada del empaque en la primera porción. De acuerdo con un segundo aspecto, la presente invención provee un método para sellar una celda de combustible que comprende: proveer un empaque formado de material comprimible que tiene una primera superficie de sellado y una segunda superficie de sellado y una pluralidad de cavidades próximas a la primera y/o segunda superficies de sellado y que se extiende sobre al menos una segunda porción del empaque para proveer compresibilidad incrementada del empaque en la primera porción; colocar el empaque entre una placa de campo de flujo de fluido y un ensamble de membrana-electrodo y aplicar presión compresiva entre la placa de campo de flujo de fluido y el ensamble de membrana-electrodo a través del empaque para proveer un sello fluido entre los mismos. De acuerdo con un tercer aspecto, la presente invención provee una celda de combustible que comprende: un ensamble de membrana electrodo; una placa de campo de flujo de fluido; y un empaque de acuerdo con el primer aspecto. Las ventajas de la invención, en comparación con empaques convencionales, pueden incluir una reducción en una carga total aplicada necesaria para formar un sello, una capacidad mejorada del empaque para mantener un sello después de ciclo térmico, y una capacidad de sellar alrededor de protuberancias de superficie en una o ambas de las superficies de sellado.

A continuación se describirán las modalidades de la presente invención a manera de ejemplo y con referencia a los dibujos anexos, en los cuales: La figura 1 muestra una vista transversal esquemática a través de una parte de una celda de combustible convencional; las figuras 2a y 2b muestran respectivamente un plano simplificado y vista transversal de una placa de campo de flujo de fluido de la celda de combustible de la figura 1 ; la figura 3 muestra una vista transversal a través de una pila de celdas de combustible convencional con placas bipolares; la figura 4a muestra una vista en planta de una configuración de ánodo que tiene una hoja de material difusor colocada con respecto a un empaque de sellado y puertos de entrada y salida de fluido, y la figura 4b muestra la vista lateral transversal correspondiente en la linea A-A; la figura 5 muestra una vista en perspectiva de la construcción de parte de un empaque de la presente invención; la figura 6 muestra una vista transversal de una porción de un empaque de una modalidad de la presente invención; la figura 7 muestra una vista esquemática transversal de una porción de un empaque de acuerdo con una modalidad de la presente invención estando bajo una presión aplicada; la figura 8 muestra una vista en planta de una estructura de rejilla de celda cerrada de cavidades de un empaque de acuerdo con una modalidad preferida de la invención; la figura 9 muestra una vista en planta de una estructura de rejilla de celda cerrada de cavidades de un empaque de acuerdo con una modalidad preferida de la invención, con cavidades de canal de distribución de fluidos adicionales; la figura 10 muestra una vista en planta de una estructura alternativa de rejilla de celda cerrada de cavidades de un empaque de acuerdo con una modalidad preferida de la invención; la figura 11 muestra una vista en planta de una configuración de ánodo que tiene dos porciones de material de empaque de diferente diseño especial; la figura 12 muestra una vista en perspectiva de una configuración alternativa de empaque que comprende regiones de celda abierta y de celda cerrada; la figura 13 muestra una vista en planta de otra configuración alternativa de empaque que comprende regiones de celda abierta y de celda cerrada; la figura 14 muestra una vista en planta de otra configuración alternativa de empaque que comprende un puerto de fluido junto con regiones de celda abierta y cerrada; y la figura 15 muestra una vista en planta de una configuración alternativa de un empaque que comprende un puerto de fluido, canales de suministro de fluido y de conexión fluida con un múltiple de fluido externo. Los diseños convencionales de placas de flujo de fluido de ánodo y cátodo que incorporan canales de flujo de fluido en sus caras ya se han discutido con respecto a las figuras 1 a 3, y la disposición de un empaque típico para uso con dichas placas se ha tratado con respecto a la figura 4. La figura 5 ilustra una porción representativa de un empaque 53 de la presente invención. El empaque 53 tiene una primera superficie de sellado 54 y una segunda superficie de sellado 55. Una primera pluralidad de cavidades 56 está provista dentro del empaque 53 en la primera superficie de sellado y se extiende sobre la porción del empaque. En esta modalidad particular, las cavidades 56 se extienden en un arreglo regular sobre la porción del empaque 53 mostrado. También se muestra una segunda pluralidad de cavidades 57 provistas dentro del empaque en la segunda superficie de sellado 55, siendo en esta modalidad sustancialmente similar en tamaño y disposición a la primera pluralidad de cavidades. Aunque las cavidades 56 se muestran en la figura 5 provistas en la superficie 54, en otras modalidades las cavidades 56 pueden estar provistas debajo de la superficie 54, pero lo suficientemente cercanas a la superficie para influir en la compresibilidad de superficie local a través del grosor del empaque 53.

La superficie de sellado 54, 55 del empaque se define como esa superficie que está en contacto con la superficie del componente al cual se sellará el empaque. Por lo tanto, la superficie de sellado generalmente no incluye la superficie interior de las cavidades 56, 57. Sin embargo, a medida que incrementa la presión aplicada al empaque 53, una proporción de la superficie interior de las cavidades 56, 57 se puede volver parte de la superficie de sellado del empaque 53, proporción la cual incrementa con una creciente presión aplicada. El término "densidad de cavidad" se utiliza en la presente como una medida del número de cavidades presentes sobre cualquier área definida del empaque 53. La densidad de cavidad sobre una primera superficie de sellado 54 de una porción del empaque 53 puede ser diferente a la densidad de cavidad sobre una segunda superficie de sellado 55 de la misma porción del empaque 53. Por ejemplo, si el área de la superficie de sellado 54 del empaque 53 de la figura 5 es de 1 cm2 y el número de cavidades es 36, la densidad de cavidad en la primera superficie de sellado es de 36 cm"2. El término "volumen de cavidad" como se utiliza en la presente es el volumen vacío total de cualquier cavidad determinada, que puede darse de manera útil en términos de una cifra promedio para cavidades en el empaque 53 o en una cierta región del mismo. Se reconocerá que la densidad de cavidad y el volumen de cavidad en una región del empaque determinarán cada una al menos en parte, la compresibilidad de esa región del empaque.

El termino "material comprimible" pretende abarcar materiales sólidos los cuales se puedan deformar significativamente bajo presión compresiva aplicada, y cuyas propiedades mecánicas físicas puedan estar caracterizadas 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 escurrimiento y viscoelasticidad también pueden definir en parte las propiedades del material comprimible. Un incremento en la compresibilidad de una región del empaque corresponderá a una reducción en la presión necesaria para comprimir el grosor total de esa región en el mismo grado. Puesto de manera alternativa, la misma presión aplicada ocasionará que el grosor total de esa región se reduzca en un mayor grado. En la figura 6 se muestra una vista transversal de una disposición asimétrica alternativa de cavidades 62, 63 en un empaque 61 de la presente invención, en donde los volúmenes de cavidad son diferentes en la primera superficie de sellado 64 y la segunda superficie de sellado 65. Las cavidades 62 cercanas a la primera superficie de sellado 64 tienen diferentes dimensiones que las cavidades 63 cercanas a la segunda superficie de sellado 65. El resultado de este tipo de variación en volumen de cavidad será que el material de empaque 66 entre las cavidades más grandes 63 sea capaz de comprimir aun más que el material de empaque 67 entre las cavidades más pequeñas 62 bajo la misma presión aplicada.

Se puede obtener un efecto similar al mostrado en la figura 6, en lugar de alterar el volumen de cavidad promedio debajo de cada una de la primera 64 y segunda 65 superficies de sellado, al alterar la separación entre las cavidades y de esta manera afectar la densidad de cavidad. La densidad de cavidad y/o volúmenes de cavidad pueden ser diferentes en por lo menos porciones de superficie opuestas seleccionadas del empaque cercanas a la primera 64 y segunda 65 superficies de sellado, las porciones de superficie opuestas siendo regiones seleccionadas de la primera 64 y segunda 65 superficies de sellado que son sustancialmente coextensivas en superficies de sellado opuestas del empaque 61. En dicha disposición asimétrica en el empaque 61 de la figura 6, las propiedades de adhesión de superficie pueden ser desviadas en consecuencia hacia una superficie. El área de contacto de una superficie de sellado 64 del empaque 61 en comparación con la otra superficie de sellado 65 tenderá a preferir la adherencia a una superficie sobre la otra sin la necesidad de adhesivos o preparaciones superficiales. En la figura 7 se muestra una vista esquemática en sección transversal del comportamiento de dicho empaque 61 bajo compresión entre un componente superior 77 y un componente inferior 76. El empaque 61 se sitúa entre dos superficies de componente 74, 75. En la superficie de componente inferior 74 se sitúa una característica de superficie 73, la cual resalta del plano de la superficie de componente 74. La aplicación de presión en la dirección indicada con la flecha 71 hace que el material de empaque en la región de compensación 72 se comprima más que el material fuera de la región de compensación. La compresión adicional del empaque es captada dentro del volumen del propio empaque, y no ocasiona ningún ensanchamiento adicional alrededor del perímetro externo del empaque 61. Las cavidades 63 permiten que el material de empaque circundante dentro de la región de compensación 72 se ensanche en las cavidades 63 a lo largo de direcciones ortogonales a la dirección de aplicación de fuerza. La característica de superficie 73, por ejemplo, puede ser una lámina o cuña de material relativamente incompresible, tal como una lámina de distribución de agua, colocada para cubrir regiones seleccionadas de la placa de flujo de fluido. Debido a que el empaque 61 es capaz de deformarse de manera comprimible alrededor de la característica de superficie 73, el sello alrededor de la característica de superficie no se ve comprometido por su presencia. El empaque 51 , 61 de la presente invención puede comprender preferiblemente cavidades rectangulares 56, 57, 62, 63 dispuestas en un arreglo regular, por ejemplo en un diseño cuadrado sustancialmente espaciado de manera uniforme, como se muestra en la figura 5. También se contemplan otros tipos de patrones de repetición regulares tales como patrones hexagonales o triangulares. También se contemplan dentro del alcance de la invención patrones no repetitivos o distribuciones aleatorias de cavidades, los cuales también pueden estar caracterizados por una densidad de cavidad y un volumen de cavidad promedio.

Se entenderá que el término "cavidades" pretende abarcar definiciones que aplican a arreglos de cavidades individualmente aisladas a través de un empaque, así como arreglos de cavidades interconectadas formadas dentro de arreglos de pilares individualmente aislados u otras características elevadas. Un empaque de la presente invención puede comprender uno o ambos tipos de cavidades a través de al menos una porción de una o ambas superficies de sellado. Se contempla que se puede utilizar una variedad de materiales de empaque convencionales en la presente invención, tales como gomas de butilo, nitrilo o silicona. Sin embargo, también se pueden utilizar otros materiales tales como PTFE expandido. El grosor del empaque de preferencia es inferior a 10 mm. Preferiblemente, el grosor del empaque no comprimido está entre 0.1 y 3 mm, y de preferencia entre 0.1 y 1 mm. De preferencia, el volumen promedio de las cavidades 56, 57, 62, 63 es inferior a 5 mm3, y en particular está dentro de la escala de 0.001 a 1mm3. Las cavidades de preferencia tienen forma sustancialmente de cubo, aunque las cavidades pueden tener cualquier forma adecuada, y también de preferencia tienen una dimensión lineal promedio dentro de la escala de 0.1 a 1mm. Las cavidades de un empaque 53, 61 de la presente invención de preferencia se forman al aplicar una textura a la superficie o superficies de un empaque de grosor uniforme. Este texturizado se puede realizar mediante moldeo por compresión del empaque, por ejemplo entre platinas configuradas bajo condiciones de calor y presión con el fin de deformar plásticamente el material de empaque en la forma requerida. Alternativamente, se pueden utilizar diversas técnicas conocidas para formar el material de empaque de la presente invención, tal como colado, moldeo por inyección o laminado/calandrado utilizando rodillos texturizados. Una posible función adicional que las cavidades de la presente invención pueden realizar es la de distribución de fluido. En la figura 8 se muestra una estructura de rejilla de celda cerrada de cavidades en un empaque de acuerdo con la presente invención, con una superficie de sellado 54 y cavidades aisladas 56. Al alterar este diseño para que las cavidades seleccionadas se extiendan y se hagan interconectar más que aislarse una de otra, se puede llegar a una disposición tal como la mostrada en la figura 9. El empaque 90 ha formado dentro de sí mismo como parte del patrón de cavidad, una serie de canales de alimentación de fluido ¡nterconectados 91 , 92, 94. Cada uno de estos canales de alimentación de fluido, como para las cavidades circundantes 56, tiene una profundidad la cual se extiende al menos parcialmente a través del grosor del empaque 90. En el caso en donde el empaque se forme directamente en la placa de campo de flujo de fluido, por ejemplo mediante moldeo, los canales de alimentación de fluido se pueden extender a través de todo el grosor del empaque. Un canal de entrada de fluido 91 está conectado a una pluralidad de canales de salida de fluido 92 a través de canales de distribución de fluido 94. La dirección preferida de flujo de fluido en uso se indica con las flechas 93. Junto con las aberturas 42, 43 provistas en el empaque 41 , como se muestra en la figura 4, la disposición ilustrada en la figura 9 puede tener un diseño especial para distribuir fluido desde el puerto de entrada de fluido 44 a través de diversos puertos de la cámara 49 adyacentes al ensamble de membrana-electrodo 40. El mismo tipo de disposición puede aplicar igualmente a un puerto de salida de fluido 45. La compresibilidad del empaque 90, la cual puede tener un diseño especial a través de la densidad, profundidad y tamaño de las cavidades 56, se puede utilizar para controlar en una cierta medida el grado en el cual los canales de alimentación de fluido 91 , 92, 94 son capaces de pasar fluido. Con una presión aplicada incrementada a través del empaque 90, los canales de alimentación de fluido 91 , 92, 94 se volverán más restringidos, tendiendo a acercar las trayectorias de fluido 93. Con esto se incrementará la contrapresión en el puerto de entrada de fluido 44. Esto puede ayudar a mejorar la precisión de la distribución de fluido a través de un número de ensambles de membrana-electrodo. La precisión y velocidad de medición de fluido puede entonces al menos ser parcialmente controlada por la presión aplicada a través del ensamble de celda de combustible 30 que comprende un empaque 91 del tipo de la figura 9. Componentes separados los cuales de otra forma serían necesarios para realizar estas funciones, pueden entonces ser retirados de manera ventajosa.

Una disposición de empaque alternativa se ilustra en la figura 10, en la cual un empaque 101 está provisto de cavidades 103 dispuestas en un patrón de rejilla regular debajo de la superficie de sellado 102. En esta disposición, el volumen y/o densidad de cavidad se pueden incrementar más allá de lo posible en la disposición mostrada en la figura 8 manteniendo al mismo tiempo el aislamiento de fluido de cada cavidad durante uso. También se pueden contemplar otros tipos de disposiciones de cavidad, no restringidas a cavidades cuadradas o arreglos de rejillas regulares del tipo ilustrado como ejemplo. Por ejemplo, las cavidades circulares pueden ser benéficas en términos de facilidad de fabricación. También son posibles otras formas. Las cavidades 56, 57, 62, 63 dentro de un empaque 53, 61 pueden estar provistas dentro de ciertas porciones predeterminadas del empaque 53, 61 , de acuerdo con su posición en el empaque y la función que están requeridas a realizar. En la figura 11 se muestra una disposición ejemplar de una configuración de ánodo con un empaque 41 que rodea una primera cámara 49 y una segunda cámara 50 en una disposición similar a la mostrada en la figura 4. Una primera porción 41a del empaque de sellado tiene un diseño especial, de acuerdo con los principios ilustrados en la figura 9 y arriba detallados, para tener canales de distribución de fluido 94 dentro de la primera porción 41a y con canales de salida de fluido 92 provistos en la porción del perímetro interior 110 del empaque 41 en comunicación de fluido con la primera cámara 49. El canal de entrada de fluido 91 de la primera porción 41a coincide con el puerto de entrada de fluido 44 en la abertura 42 en el empaque 41. El fluido que entra al canal de entrada de fluido 91 es distribuido a lo largo del perímetro interior 1 0 del empaque cercano a la primera cámara 49, a través de los canales de distribución de fluido 94 provistos dentro de la primera porción 41a del empaque 41. La segunda porción 41 b del empaque 41 tiene un diseño especial en este ejemplo de la manera ¡lustrada en las figuras 5 y 8, y arriba detallada, de manera que el fluido sale de la segunda cámara 50 a través del puerto de salida de fluido 45 situado en una abertura 43 en el empaque 41. La distribución de fluido a través del empaque se puede lograr a través del diseño especial de regiones de celda abierta del empaque. En la figura 12 se muestra un ejemplo de dicho empaque 120, que comprende regiones de celda cerrada 122 y regiones de celda abierta 121. El fluido puede fluir dentro de las regiones de celda abierta alrededor de los pilares 123, los cuales en este ejemplo están formados como cilindros circulares u ovalados. Los pilares 123 pueden alternativamente ser cilindros de sección rectangular o poligonal, o incluso de sección variable tal como formas cónicas o piramidales. La disposición de los pilares puede ser de cualquier patrón de repetición o de no repetición adecuado, o pueden estar aleatoriamente distribuidos. Ejemplos de posibles patrones incluyen patrones regulares cuadrados o de empaque hexagonal o en diagonal. Los pilares 123 se pueden formar ventajosamente para tener una altura seleccionada que sea diferente a la de la región de celda cerrada circundante. La selección de los pilares para que tengan una altura reducida permite que la distorsión se reduzca cuando el empaque 120 está bajo presión compresiva. La altura reducida de dichos pilares también puede servir para soportar componentes los cuales pudieran recubrir la región de celda abierta. La selección de los pilares 123 para que sean más altos que el empaque circundante dará como resultado que los pilares se compriman más que el material circundante, lo cual se puede utilizar para medir flujo de fluido a través de la región de celda abierta 121. Como se muestra en la figura 13, la región de celda abierta 121 puede comprender en sí una entrada de fluido y/o puerto de salida, en este ejemplo consiste en una serie de canales de fluido 131 que se extienden a través del empaque y limitados por regiones de celda cerrada 122. Como se muestra en la figura 14, el empaque puede comprender un puerto de fluido 141 , el cual puede ser para entrada o salida de fluido. El puerto de fluido 141 está rodeado por una región de celda cerrada 143, excepto para cuando se requiera el paso de fluido a través del empaque, en donde hay una región de suministro de fluido 142 que comprende una región de celda abierta como en la figura 12. Esta región de celda abierta 142 puede comprender una serie de canales de fluido o alternativamente puede comprender una pluralidad de cavidades ¡nterconectadas formadas entre pilares elevados del material de empaque. Se entenderá que el empaque de la presente invención no necesita ser de una construcción unitaria, es decir, estar formado completamente de un tipo de material comprimible, sino en cambio puede estar formado de más de un tipo de material. Por ejemplo, el empaque puede consistir en una primera capa de material comprimible en la cual estén provistas las cavidades y una segunda capa subyacente de un material relativamente incompresible. La primera capa se puede aplicar a través de cualquier medio adecuado, por ejemplo mediante serigrafía, laminación, moldeo u otros procedimientos. Un patrón en la capa de material comprimible puede definir así una disposición de cavidades a través de al menos una porción de una o ambas de las superficies de sellado del empaque. Por ejemplo, se puede aplicar un patrón de goma de silicona mediante serigrafía a una o ambas superficies de una lámina de poliéster, formando así después de curado una capa superficial elásticamente comprimible. La capa superficial así formada imparte propiedades de sellado mejoradas a la lámina, lo cual de otra manera pudiera ser inadecuado para aplicaciones de sellado. De preferencia se pueden aplicar patrones tales como aquellos ilustrados en las figuras 8-10 aunque se contempla cualquier patrón adecuado que comprenda cavidades. En la figura 15 se muestra una disposición alternativa adicional de un empaque 150, en la cual se provee una combinación de regiones de celda cerrada y celda abierta para formar regiones de suministro de fluido definidas dentro del empaque 150. Un puerto de fluido 153 está rodeado por una región de celda cerrada 154, excepto para una región que comprende canales de suministro de fluido 152a. Los canales de suministro de fluido 152 conectan de manera fluida el puerto de fluido 153 con un volumen interior 155 definido por el empaque 150. Una región adicional de canales de suministro de fluido 152b sirve para conectar el volumen interior 155 definido por el empaque 150 con un múltiple externo 151. Por ejemplo, el múltiple externo 151 se puede utilizar para suministrar refrigerante a la celda de combustible, mientras que el puerto de fluido 153 suministra oxidante. Los empaques según lo descrito en la presente cumplen los requisitos particularmente exactos para empaques utilizados en celdas de combustible. Por lo regular, se requiere que dichos empaques de celda de combustible tengan una precisión dimensional alta sobre una gran área y pueden necesitar obtener un sellado sobre un área superficial grande con una compresión por ejemplo de solamente 0.2 mm para cada celda. Para reducir la distorsión de un una pila de celdas de combustible que tiene muchas celdas individuales, y para permitir un volumen adecuado para una capa difusora dentro de cada celda, las dimensiones de grosor de un empaque de sellado pueden necesitar variar solamente alrededor de 10% cuando se aplica una presión de sellado. Por lo tanto, se requieren superficies con una alta tolerancia en superficies coincidentes de los empaques para evitar fugas. Sin embargo, los empaques de celda de combustible también requieren una elasticidad y flexibilidad suficientes para permitir la expansión térmica y contracción de otros componentes tales como varillas de unión que pasan a través de las celdas de una pila. Se requiere un alto grado de presión en la carga y sellado de pilas de celdas de combustible y los empaques descritos en la presente ofrecen sorprendentemente ventajas importantes al respecto. Las cavidades de los empaques descritos permiten una reducción en carga y una capacidad mejorada para sellar alrededor de protuberancias de superficie y permiten que se relajen ciertas tolerancias de dimensión y de carga sin comprometer la capacidad de sellado del empaque o la precisión dimensional a través de todo el grosor de una pila de celdas de combustible. Se contempla que otras modalidades estén dentro del alcance de las reivindicaciones anexas.

Claims (14)

NOVEDAD DE LA INVENCION REIVINDICACIONES

1.- Un empaque formado de material comprimible y que tiene una primera superficie de sellado y una segunda superficie de sellado para proveer un sello fluido entre un primer componente y un segundo componente, una pluralidad de cavidades provista de manera próxima a la primera y/o segunda superficies de sellado y que se extiende sobre al menos una primera porción del empaque para proveer compresibilidad incrementada del empaque en la primera porción.

2. - El empaque de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la densidad de volumen y/o volúmenes de cavidad varían a través de al menos una de la primera y segunda superficies de sellado.

3. - El empaque de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la densidad de cavidad y/o volúmenes de cavidad son diferentes en la primera y segunda superficies de sellado.

4. - El empaque de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque la densidad de cavidad y/o volúmenes de cavidad son diferentes en porciones de superficie opuestas seleccionadas del empaque.

5. - El empaque de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque las cavidades están dispuestas en uno o más arreglos regulares.

6. - El empaque de conformidad con cualquier reivindicación anterior, caracterizado además porque las cavidades tienen una dimensión lineal promedio dentro de la escala de 0.1 a 1 mm.

7. - El empaque de conformidad con cualquier reivindicación anterior, caracterizado además porque las cavidades tienen un volumen promedio dentro de la escala de 0.001 a 1 mm3.

8.- El empaque de conformidad con cualquier reivindicación anterior, caracterizado además porque las cavidades tienen forma sustancialmente de cubo.

9. - El empaque de conformidad con cualquier reivindicación anterior, caracterizado además porque las cavidades incluyen una pluralidad de canales de alimentación de fluido provistos dentro del empaque cerca de la primera superficie de sellado, cada canal de alimentación de fluido tiene una profundidad que se extiende al menos parcialmente a través del empaque.

10. - El empaque de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado además porque la pluralidad de canales de alimentación de fluido están conectados de manera fluida con una abertura que comprende una entrada de fluido y/o puerto de salida.

11. - El empaque de conformidad con la reivindicación 11 , caracterizado además porque la pluralidad de canales de alimentación de fluido están adaptados para estar conectados de manera fluida con un ensamble de membrana - electrodo de una celda de combustible.

12. - El empaque de conformidad con cualquier reivindicación anterior, caracterizado además porque el empaque comprende una primera capa de material comprimible en la cual está provista la pluralidad de cavidades y una segunda capa de material relativamente incompresible cercana a la primera capa.

13. - Un método para sellar una celda de combustible, que comprende: proveer un empaque formado de material comprimible que tiene una primera superficie de sellado y una segunda superficie de sellado y una pluralidad de cavidades cerca de la primera y/o segunda superficies de sellado y que se extiende sobre al menos una primera porción del empaque para proveer compresibilidad incrementada del empaque en la primera porción; colocar el empaque entre una placa de campo de flujo de fluido y un ensamble de membrana - electrodo; y aplicar presión compresiva entre la placa de campo de flujo de fluido y el ensamble de membrana - electrodo a través del empaque para proveer un sello fluido entre los mismos.

14. - Una celda de combustible que comprende: un ensamble de membrana electrodo; una placa de campo de flujo de fluido; y un empaque de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12.