MX2012007567A - Celdas de combustible y componentes de celdas de combustible con arquitectura asimetrica y metodos relacionados. - Google Patents

Abstract

Las modalidades se relacionan con un compuesto para una capa de la celda de combustible, que incluye una pluralidad de componentes que conducen electrones, pluralidad de componentes que conducen iones, cada uno que tiene una primera superficie y una segunda superficie, y en donde cada componente que conduce iones está colocad entre dos componentes que conducen electrones. Los componentes que conducen electrones y los componentes que conducen iones forman un capa y al menos uno de los componentes que conducen iones o los componentes que conducen electrones es geométricamente asimétrico en una o más dimensiones.

Description

CELDAS DE COMBUSTIBLE Y COMPONENTES DE CELDAS DE COMBUSTIBLE CON ARQUITECTURA ASIMÉTRICA Y MÉTODOS RELACIONADOS ANTECEDENTES DE LA INVENCION

[0001] Las celdas de combustible pueden emplearse como un suministro de energía para incrementar el número de aplicaciones a gran escala, tales como manejo de materiales (por ejemplo, horquillas elevadoras) , transporte (por ejemplo, vehículos eléctricos e híbridos) y suministro de energía fuera de la red de energía (por ejemplo, para suministro de energía de emergencia o telecomunicaciones). Se están desarrollando ahora celdas de combustible más pequeñas para aplicaciones portátiles del consumidor, tales como computadoras portátiles, teléfonos celulares, asistentes digitales personales (PDA) , y lo similar.

[0002] En una celda de combustible típica convencional (por ejemplo, una pila de celdas de combustible) , el combustible se desplaza al ánodo de un montaje de electrodos de membrana (MEA) vía placas bipolares que tienen canales de flujo. Aparte de la distribución del combustible, las placas bipolares también funcionan para separar las celdas de combustible unitarias. El uso de las placas bipolares puede incrementar el espacio ocupado por la pila de celdas de combustible y el sistema.

Con el fin de asegurar que hay contacto eléctrico entre las placas bipolares y los MEA y para evitar que el combustible y el oxidante se fuguen, las pilas de celdas de combustible convencionales deben mantenerse juntas con una fuerza de compresión. Varios componentes pueden utilizarse para mantener juntas las pilas de celdas de combustible convencionales. Las pilas de celdas de combustible convencionales pueden requerir, por lo tanto, muchas partes y el montaje puede ser bastante complejo.

[0003] Las celdas de combustible también pueden conectarse en configuraciones reunidas en el borde, tales como configuraciones planas. En algunos diseños de celdas de combustible reunidas en el borde, la corriente es colectada de los bordes de las celdas unitarias individuales y se desplaza en el plano de las celdas de combustible .

[0004] Algunos sistemas de celda de combustible reunidas en el borde o planas no emplean una fuerza de compresión con el fin de mantener un buen contacto entre la capa de la celda de combustible y varios otros componentes del sistema de la celda de combustible. En tales sistemas de celda de combustible, los componentes pueden montarse y mantenerse en contacto por otros medios.

[0005] Las celdas de combustible reunidas en el borde pueden utilizarse para energizar aplicaciones portátiles del consumidor, tales como computadoras portátiles, teléfonos celulares, asistentes digitales personales (PDA), y lo símilar. Tales aplicaciones con frecuencia tienen poco espacio disponible para un sistema de celda de combustible.

RESUMEN

[0006] Las modalidades se relacionan con un compuesto para una capa de la celda de combustible que incluye una pluralidad de componentes que conducen electrones, una pluralidad de componentes que conducen iones, cada uno que tiene una primera superficie y una segunda superficie y en donde cada componente que conduce iones se coloca entre dos componentes que conducen electrones. Los componentes que conducen electrones y los componentes que conducen iones forman una capa y al menos uno de los componentes que conducen iones o los componentes que conducen electrones son geométricamente asimétricos en una o más dimensiones.

[0007] Las modalidades también se relacionan con una celda de combustible que incluye una capa compuesta que incluye un componente que conduce iones geométricamente asimétrico que tiene una primera superficie y una segunda superficie y dos o más componentes que conducen electrones que tienen una primera superficie y una segunda superficie.

El componente que conduce iones se coloca entre los componentes que conducen electrones y dos recubrimientos del electrodo que están cada uno, en contacto iónico con el componente que conduce iones y en contacto eléctrico con uno de los componentes que conducen electrones.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

[0008] Los dibujos acompañantes ilustran modalidades ejemplares no limitantes de la invención. En los dibujos, los números similares describen componentes que son similares, pero no necesariamente los mismos. Los números similares que tienen diferentes sufijos de letras representan diferentes casos de componentes que son similares, pero no necesariamente los mismos.

[0009] Las Figuras 1A y IB son vistas en sección transversal de, respectivamente, una primera capa de la celda de combustible plana ejemplar y una segunda capa de la celda de combustible plana ejemplar.

[0010] Las Figuras 2A y 2B son vistas en sección transversal de, respectivamente, una celda de combustible plana asimétrica y un compuesto asimétrico, de acuerdo con una primera modalidad ejemplar.

[0011] Las Figuras 3A y 3B son vistas en sección transversal de, respectivamente, una celda de combustible plana asimétrica y un compuesto asimétrico, de acuerdo con una segunda modalidad ejemplar.

[0012] Las Figuras 4A, 4B y 4C son vistas en sección transversal de, respectivamente, una celda de combustible plana asimétrica y un compuesto asimétrico, de acuerdo con una tercera modalidad ejemplar.

[0013] Las Figuras 5A, 5B, 5C y 5D son vistas en sección transversal de celdas de combustible asimétricas, de acuerdo con la cuarta, quita, sexta y séptima modalidades ejemplares.

[0014] La Figura 6 es un diagrama de bloques del proceso de un posible método para preparar una capa de la celda de combustible plana asimétrica, de acuerdo con una modalidad ejemplar.

[0015] La Figura 7 es una vista en perspectiva amplificada de un sistema de celda de combustible que tiene una capa de la celda de combustible asimétrica, de acuerdo con una modalidad ejemplar.

[0016] La Figura 8 es una vista en sección transversal del sistema de la celda de combustible de la Figura 7.

DESCRIPCIÓN DETALLADA

[0017] A través de la siguiente descripción, los detalles específicos se exponen con el fin de proporcionar un entendimiento más completo de la invención. Sin embargo, la invención puede practicarse sin estas especificaciones. En otros casos, los elementos bien conocidos no se han mostrado o descrito con detalle, con el fin de evitar obscurecer de manera innecesaria la invención. Los dibujos muestran, a manera de ilustración, las modalidades especificas en las cuales puede practicarse la invención. Estas modalidades pueden combinarse, otros elementos pueden utilizarse o pueden hacerse cambios estructurales o lógicos sin apartarse del alcance de la invención. En consecuencia, la especificación y los dibujos deben considerarse como ilustrativos, más que en un sentido restrictivo.

[0018] Todas las publicaciones, patentes y documentos de patentes referidos en este documento se incorporan en la presente como referencia en su totalidad, como si se incorporaran de manera individual como referencia. En el caso de usos inconsistentes entre este documento y aquellos documentos incorporados como referencia, el uso en las referencias incorporadas deberá considerarse suplementario a aquél de este documento; para inconsistencias irreconciliables, el uso en este documento tiene el control.

[0019] En este documento, los términos "uno, una" se utilizan como es común en los documentos de patente, para incluir uno o más de uno, de manera independiente de cualesquier otros usos casos o usos de "al menos uno" o "uno o más". En este documento, el término "o" se utiliza para referirse a una no exclusividad, de manera que "A, B o C" incluye "A únicamente", "B únicamente", "C únicamente", "A y B", "B y C", "A y C", y "A, B y C", a menos que se indique de otra manera.

[0020] En este documento, los términos "encima" y "debajo" se utilizan para describir dos diferentes direcciones con relación al centro de un compuesto y los términos "superior" e "inferior" se utilizan para describir dos diferentes superficies de un compuesto. La capa o recubrimiento del cátodo se describe como que está "encima" del compuesto, mientras que la capa o recubrimiento del ánodo se describe como que está "debajo" del compuesto. Sin embarqo, estos términos se utilizan simplemente para facilidad de la descripción y no deben entenderse como que fijan la orientación de una capa de la celda de combustible de las modalidades descritas.

[0021] En los aspectos y reivindicaciones anexos, el término "primero", "segundo" y "tercero", etc., se utilizan simplemente como adjetivos, y no pretenden imponer requisitos numéricos en sus objetos.

[0022] Los sistemas de celdas de combustible planas pueden emplearse para energizar pequeñas aplicaciones portátiles. Puesto que con frecuencia tales aplicaciones tienen poco espacio disponible para un sistema de celda de combustible, puede ser ventajoso para los sistemas de celda de combustible, tener requisitos de espacio reducidos. El espacio ocupado por sistema de celda de combustible puede reducirse empleando en la capa de la celda de combustible, capas compuestas con una arquitectura asimétrica .

[0023] en los sistemas de celdas de combustible planas, una cámara se emplea para transportar el combustible a los ánodos de la capa de la celda de combustible. Tales cámaras pueden o no tener canales de flujo. Las capas de la celda de combustible asimétricas de algunas modalidades pueden incluir canales de flujo completos o parciales en la capa de la celda de combustible, reduciendo por lo tanto el especio ocupado por el sistema de la celda de combustible.

[0024] En algunos sistemas de celdas de combustible planas, más que comprimirse, los componentes pueden unirse para crear y mantener suficiente contacto entre los componentes. Por ejemplo, los componentes pueden unirse utilizando una estructura de soporte interna, tales como aquéllas encontrados en la Publicación de la Solicitud de Patente de los Estados Unidos Núm. 2009/0081493, titulada "SISTEMAS DE CELDA DE COMBUSTIBLE QUE INCLUYEN UNA CÁMARA DE FLUIDO QUE AHORRA ESPACIO Y MÉTODOS RELACIONADOS", y la Publicación del PCT Núm. WO/2009/105896, titulada "CELDA ELECTROQUÍMICA Y MEMBRANAS RELACIONADAS CON LA MISMA", las descripciones de las cuales se incorporan como referencia en su totalidad. En algunos sistemas de celdas de combustible planas que son operados con una presión positiva del gas reactivo, estas uniones contrarrestan la carga aplicada a la celda de combustible por la presión interna del gas. Las capas de la celda de combustible asimétricas de acuerdo con algunas modalidades, pueden unirse fácilmente y unirse fácilmente a una cámara de combustible, por ejemplo.

[0025] Se proporcionan capas compuestas para celdas de combustible, las capas compuestas tienen una arquitectura asimétrica. Los compuestos incluyen componentes que conducen iones y componentes que conducen electrones. Un compuesto puede ser asimétrico debido a la asimetría en los componentes que conducen iones, la asimetría en los componentes que conducen electrones, o ambas. Se proporcionan capas de la celda de combustible asimétricas, que incluyen compuestos asimétricos. El empleo de una capa de la celda de combustible asimétrica en el sistema de la celda de combustible puede permitir un montaje más simple del sistema de la celda de combustible, puede reducir el espacio ocupado por el sistema de la celda de combustible, o ambos.

[0026] Las modalidades de la invención se han descrito como celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) o celdas de combustible PEM. Sin embargo, las modalidades pueden practicarse con otros tipos de celdas de combustible, tales como celdas de combustible alcalinas o celdas de combustible de óxido sólido. Las modalidades también pueden tener aplicación en otros tipos de celdas electroquímicas, tales como electrolizantes o celdas de cloro-álcali.

[0027] Los sistemas de celdas de combustible de acuerdo con algunas modalidades pueden utilizarse como una fuente de energía para varias aplicaciones. Por ejemplo, los sistemas de celda de combustible pueden utilizare para energizar dispositivos portátiles del consumidor, tales como computadoras portátiles, teléfonos celulares o PDA. Sin embargo, la invención no está restringida al uso con los dispositivos portátiles del consumidor y las modalidades pueden practicarse para energizar aplicaciones mayores, tales como aplicaciones de manejo de materiales, aplicaciones de transporte o generación de energía fuera de la red de energía u otras aplicaciones más pequeñas.

[0028] Las modalidades de la invención pueden practicarse con celdas de combustible de una variedad de diseños diferentes. Se describe en la presente la práctica de las modalidades con celdas de combustible reunidas en el borde, que están compuestas generalmente de capas planas. Sin embargo, las mismas u otras modalidades pueden practicarse de manera alterna con otras celdas de combustible reunidas en el borde, que pueden o no estar presentes. Para facilidad de referencia, a través de la descripción, las celdas de combustible reunidas en el borde y la tecnología relacionada son referidas como celdas de combustible "planas", sistemas de celda de combustible "planas" o capas de la celda de combustible "planas". Sin embargo, se entenderá que en algunas modalidades, las celdas de combustible pueden no ser planas para practicarse con la invención. Por ejemplo, las celdas de combustible unitarias pueden no caer todas en el mismo plano (por ejemplo, pueden ser flexibles, espirales, tubulares u onduladas) . En otro ejemplo, las celdas de combustible unitarias pueden caer todas o parcialmente en el mismo plano .

Definiciones

[0029] Como se utiliza en la presente, "catalizador" se refiere a un material o sustancia que ayuda a empezar o incrementar la velocidad de una reacción, sin ser modificado o consumido por sí mismo. Las capas de catalizador pueden comprender cualquier tipo de electrocatalizador adecuado para la aplicación a la mano.

Los catalizadores o la capas de catalizador pueden incluir platino puro, platino soportado en carbono, negro de platino, platino-rutenio, paladio, cobre, óxido de estaño, níquel, oro, mezclas de negro de humo y uno o más aglutinantes. Los aglutinantes pueden incluir ionómeros, polipropileno, polietileno, policarbonato, poliimidas, poliamidas, fluoropolímeros y otros materiales poliméricos, y pueden ser películas, polvos o dispersiones. Un ejemplo de una poliimida incluye Kapton®. Un ejemplo de un fluoropolímero es PTFE (politetrafluoroetileno) o Teflon®. Otros fluoropolímeros incluyen PFSA (ácido perfluorosulfónico) , FEP (etileno propileno fluorado) , PEEK (polietilenétercetonas ) y PFA (perfluoroalcoxietileno) . El aglutinante puede incluir también polvo de PVDF (difluoruro de polivinilideno) (por ejemplo, Kynar®) y polvo de dióxido de silicio. El aglutinante puede incluir cualquier combinación de polímeros o ionómeros. El negro de humo puede incluir cualquier material de carbono finamente dividido, tal como uno o más de acetileno de negro de humo, partículas de carbono, hojuelas de carbono, fibras de carbono, agujas de carbono, nanotubos de carbono y nanopartículas de carbono.

[0030] Como se utiliza en la presente, "recubrimiento" se refiere a una capa delgada conductora colocada en la superficie de una capa compuesta. Por ejemplo, el recubrimiento puede ser una capa de catalizador o electrodos, tales como ánodos y cátodos.

[0031] Como se utiliza en la presente, una "capa compuesta" o "compuesto" se refiere a una capa que incluye al menos dos superficies que tienen un espesor, en donde uno o más pasajes que conducen iones y uno o más pasajes eléctricamente conductores se definen entre las superficies. Las propiedades conductoras de iones y las propiedades eléctricamente conductoras de un compuesto pueden variar en diferentes regiones del compuesto, definiendo los pasajes que conducen iones y los pasajes eléctricamente conductores con varios tamaños, formas, densidades o arreglos. Una capa compuesta puede incluir también una o más regiones de interfase. Una capa compuesta puede ser impermeable a un fluido o aun tipo particular de fluido (por ejemplo, un gas o un liquido) . En algunas modalidades, la capa compuesta puede ser sustancialmente impermeable a algunos fluidos, pero permeable a otros. Por ejemplo, la capa compuesta puede ser sustancialmente impermeable a una presión de gas impartida por un combustible; sin embargo, el agua puede ser capaz de migrar a través de los componentes que conducen iones.

[0032] Como se utiliza en la presente, un "componente que conduce electrones" se refiere a un componente de una capa compuesta que proporciona un pasaje eléctricamente conductor. Los componentes que conducen electrones incluyen uno o más materiales que son eléctricamente conductores, por ejemplo, metales, espumas de metal, materiales carbonáceos, cerámicas eléctricamente conductoras, polímeros eléctricamente conductores, combinaciones de los mismos, y lo similar. Los componentes que conducen electrones pueden también incluir materiales que no son eléctricamente conductores. Los componentes que conducen electrones pueden referirse también en la presente como "componentes que conducen corriente" o "colectores de corriente" .

[0033] Como se utiliza en la presente, "combustible" se refiere a cualquier material adecuado para utilizarse como un combustible en una celda de combustible. Los ejemplos de combustibles pueden incluir, de manera no exclusiva, hidrógeno, metanol, etanol, butano, compuestos de borohidruro tales como borohidruro de sodio o potasio, ácido fórmico, amoniaco y derivados de amoniaco tales como aminas e hidrazina, compuestos de complejo hidruro metálico tales como borohidruro de aluminio, boranos tales como diborano, hidrocarburos tales como ciclohexano, carbazoles tales como dodecahidro-n-etil carbazol, y otros hicrocarburos saturados cíclicos, policíclicos, amino boranos saturados tales como ciclotriborazano .

[0034] Como se utiliza en la presente, un "componente que conduce iones" se refiere a un componente que proporciona un pasaje que conduce iones. Los componentes que conducen iones pueden ser componentes de un compuesto. Los componentes que conducen iones incluyen un material que conduce iones, tal como un material basado en un fluoropolimero que conduce iones o un material conductor basado en hidrocarburos. Los componentes que conducen iones también pueden referirse en la presente como "electrolitos", o "membranas de electrolitos".

[0035] Como se utiliza en la presente, una "región de interfase" se refiere a un componente de una capa compuesta que no es eléctricamente conductor. Una región de interfase puede incluir un material que exhibe una conductividad iónica despreciable y una conductividad eléctrica despreciable, por ejemplo. Las regiones de interfase pueden utilizarse en conjunto con las regiones que conducen electrones para formar colectores de corriente, y en tales casos, pueden colocarse regiones que conducen electrones adyacentes en uno o ambos lados de la región que conduce electrones. Las regiones que conducen electrones pueden estar incluidas en una región de interfase para formar un colector de corriente. Se entenderá que una región de interfase (o regiones de interfase) es un componente opcional en un colector de corriente, no un componente necesario. Cuando se utiliza como un componente de un colector de corriente, una región de interfase puede utilizarse para fomentar la adhesión entre las regiones que conducen electrones y los componentes que conducen iones, y/o puede utilizarse para proporcionar aislamiento eléctrico entre las celdas electroquímicas adyacentes.

[0036] Como se utiliza en la presente, "plano" se refiere a una superficie hipotética bidimensional que tiene una extensión determinada y una dirección o posición espacial. Por ejemplo, un bloque rectangular puede tener un plano vertical y dos planos horizontales, ortogonales unos con otros. Los planos pueden definirse unos con relación a otros utilizando ángulos mayores o menores que 90 grados, por ejemplo.

[0037] Las Figuras 1A y IB muestran vistas en sección transversal de una primera capa de la celda de combustible plana ejemplar 100 y una segunda celda de combustible plana ejemplar 150, como se describe en la Solicitud de Patente de los Estados Unidos consignada No. 11/047,560 y la solicitud del Tratado de Cooperación de Patentes Núm. CA2009/000253, titulada respectivamente CELDAS ELECTROQUÍMICAS QUE TIENEN ESTRUCTURAS QUE PORTAN CORRIENTE SUBYACENTES A LAS CAPAS DE LA REACCIÓN ELECTROQUÍMICA y CELDA ELECTROQUÍMICA Y MEMBRANAS RELACIONADAS CON LA MISMA. Aunque las modalidades de la invención se describen como aplicadas a estas capas de la celda de combustible plana ejemplar, las modalidades pueden aplicarse a otras capas de la celda de combustible reunidas en el borde o planas. Los ejemplos de otras capas de la celda de combustible planas, se proporcionan en las patentes de los Estados Unidos Nos. 5,989,741 y 5,861,221, tituladas respectivamente SISTEMA DE CELDA ELECTROQUÍMICA CON ARREGLO DE CELDAS LADO A LADO y BATERÍA FORMADA COMO UNA TIRA DE MEMBRANA QUE CONTIENE VARIAS CELDAS, y la solicitud de patente de los Estados Unidos No. 12/153,764, titulada CELDA DE COMBUSTIBLE.

[0038] Las capas de la celda de combustible planas ejemplares 100, 150, incluyen una capa compuesta 124, 174, que tienen componentes que conducen iones 118, 168, y componentes que conducen electrones 112, 162. Opcionalmente, la capa compuesta 124, 174 también puede tener reqiones de interfase o de sustrato 122, 172. Las regiones de interfase o de sustrato 122, 172, pueden incluir un material que es no conductor. Los componentes que conducen electrones 112 y las regiones de interfase o de sustrato opcionales 122, pueden formar colectores de corriente 110. Las capas de la celda de combustible 100, 150, tienen dos tipos de recubrimientos del electrodo, a saber, los recubrimientos del cátodo 116C, 166C y los recubrimientos del ánodo 116A, 166A. Los recubrimientos del cátodo 116C, 166C se colocan en el lado superior del compuesto 124, 174 y se adhieren a la superficie superior del compuesto 124, 174. Los recubrimientos del ánodo 116A, 176A se colocan en el lado inferior del compuesto 124, 174, y se adhieren a la superficie inferior del compuesto 124, 174.

[0039] La Figura 2A y 3A son vistas en sección transversal de dos celdas de combustible planas que tienen una arquitectura geométricamente asimétrica en una o más dimensiones, de acuerdo con dos modalidades ejemplares. Las celdas de combustible planas 200, 250, incluyen una capa compuesta 224, 274 que tiene componentes que conducen iones 218, 268 y componentes que conducen electrones 212, 262. Opcionalmente, el compuesto 224, 274 también puede tener regiones de interfase o de sustrato 222, 272. Las regiones de interfase o de sustrato 222, 272 pueden incluir un material que es eléctrica y/o iónicamente no conductor. Los componentes que conducen electrones 218 y las regiones de interfase o de sustrato opcionales 222, pueden formar colectores de corriente 210. En las modalidades mostradas, los componentes que conducen iones 218, 268 son cada uno asimétricos. En la modalidad mostrada, los compuestos 224, 274 también son asimétricos. Los compuestos 224, 274 se muestran en las Figuras 2B y 3B.

[0040] Los compuestos asimétricos pueden tener componentes que conducen iones con uno o más de tres diferentes tipos de asimetría: asimetría en la forma o perfil superficial; asimetría en el área superficial; y asimetría en la posición con respecto al centro del compuesto. En las modalidades mostradas, cada uno de los componentes que conducen iones 218, 268, tienen todos los tres tipos de asimetría. Sin embargo, se entenderá que un compuesto puede tener componentes que conducen iones que tienen menos que tres tipos de asimetría o más de tres tipos de asimetría.

[0041] En las modalidades mostradas, los componentes que conducen iones 218, 268 tienen asimetría en la forma o perfil superficial, cada uno tiene una superficie superior 226, 276, que es sustancialmente plana o nivelada, y una superficie inferior 228, 278, que es sustancialmente cóncava o con forma de canal. Sin embargo, otras combinaciones de las formas o perfiles superficiales también son posibles. Por ejemplo, los componentes que conducen iones pueden tener una superficie que es sustancialmente cóncava. La Figura 4? muestra una vista en sección transversal de una celda de combustible plana que tiene una arquitectura asimétrica, de acuerdo con una tercera modalidad ejemplar. La capa de la celda de combustible 300 tiene un compuesto 324 que tiene componentes que conducen iones 318, que tienen una superficie superior 326 que es sustancialmente convexa y una superficie inferior 328 que es sustancialmente con forma de canal, pero pueden cambiar la forma durante la operación de la celda de combustible o la capa de la celda de combustible.

[0042] En las modalidades mostradas en las Figuras 2 y 3, los componentes que conducen iones 218, 268 tienen asimetría en el área superficial, puesto que las superficies inferiores con forma de canal 228, 278 tienen áreas superficiales que son mayores que las áreas superficiales de las superficies superiores planas 226, 276. En las modalidades mostradas en las Figuras 2 y 3, las superficies inferiores (por ejemplo, las superficies que están en contacto con los recubrimientos del ánodo) , tienen áreas superficiales mayores que las superficies superiores (por ejemplo, las superficies que están en contacto con los recubrimientos del cátodo) . Sin embargo, en otras modalidades ejemplares, las superficies superiores tienen áreas superficiales mayores que las superficies inferiores. En otras modalidades, las superficies superiores e inferiores tienen la misma área superficial (y por lo tanto no son asimétricas con respecto al área superficial) .

[0043] En algunos ejemplos, en las modalidades ilustradas en las Figuras 2 y 3, las superficies inferiores pueden estar en contacto con los recubrimientos del ánodo, mientras que las superficies superiores pueden estar en contacto con los recubrimientos del cátodo. En otros ejemplos, las superficies inferiores pueden estar en contacto con los recubrimientos del cátodo, mientras que las superficies superiores pueden estar en contacto con los recubrimientos del ánodo. En tales modalidades, las porciones cóncavas de los componentes que conducen iones ilustrados en las Figuras 2 y 3, forman las porciones del cátodo de la capa de la celda de combustible más que las porciones del ánodo. Tal configuración puede proporcionar una capa de la celda de combustible que se deforma de manera diferente cuando un reactivo se introduce en el ánodo, o el combustible, cámara, que presuriza la capa, y modificando en consecuencia la carga aplicada a la membrana y a los recubrimientos con relación a como se deformaría y tensionaría la capa y las configuraciones en donde las porciones cóncavas de los componentes que conducen iones forman las porciones del ánodo de la capa de la celda de combustible. En cualquier configuración, las porciones cóncavas de la capa de la celda de combustible pueden llenarse con alguna forma de material de relleno (no mostrado) , para proporcionar soporte estructural para los componentes que conducen iones y los recubrimientos del electrodo. Tal material de relleno puede ser no conductor o conductor, y puede ser poroso para permitir el transporte del reactivo a los recubrimientos del electrodo. Si el relleno es eléctricamente conductor, puede colocarse de manera que no cree de manera inadvertida una conexión eléctrica entre las celdas adyacentes. Los materiales conductores porosos adecuados pueden incluir una tela de carbono, polvo de carbono, tela metálica resistente a la corrosión, polvo metálico resistente a la corrosión, polvo de grafito, o cualquier otro material adecuado.

[0044] En la modalidad mostrada, los componentes que conducen iones 218, 268, tienen asimetría en la posición con respecto al centro del compuesto 224, 274 o la capa de la celda de combustible 200, 250. Como puede observarse, las superficies superiores 226, 276 están aproximadamente a nivel con la superficie superior de los componentes que conducen electrones 212, 262, mientras que las superficies inferiores 228, 278, están rebajadas de la superficie inferior de los componentes que conducen electrones 212, 262. En la modalidad mostrada en la Figura 4, las superficies superiores 326 están elevadas con respecto a la superficie superior de los componentes que conducen electrones 312, mientras que las superficies inferiores 328 están rebajadas de la superficie inferior de los componentes que conducen electrones 312. Sin embargo, otras combinaciones de posiciones de las superficies del componente que conduce iones también son posibles. En una modalidad ejemplar alterna, ambas superficies están rebajadas de la superficie del componente que conduce electrones. Tal modalidad puede o no ser asimétrica, dependiendo de si las superficies superiores e inferiores están rebajadas al mismo grado y si tienen la misma forma superficial y área superficial. La Figura 4C muestra una capa de la celda de combustible que tiene componentes que conducen iones 348. En la modalidad mostrada, los componentes que conducen iones 348 están a nivel con la superficie superior e indentados de la superficie inferior del compuesto 344, y por lo tanto, son asimétricos con respecto a la posición. El componente que conduce iones 348" está indentado de ambas superficies del compuesto 344, pero colocado de manera asimétrica, o desviado del eje central de la capa de la celda de combustible. Los componentes que conducen iones pueden colocarse en varias ubicaciones con relación a las superficies superiores e inferiores de la capa de la celda de combustible para proporcionar una capa de la celda de combustible asimétrica .

[0045] Además de las asimetrías descritas en la presente, los compuestos y las capas de la celda de combustible también pueden poseer otras irregularidades, por ejemplo, los compuestos y las capas de la celda de combustible, además de las asimetrías discutidas, no necesitan ser regulares o simétricos. Por ejemplo, las capas de la celda de combustible pueden incluir recubrimientos del ánodo y del cátodo, que tienen diferentes cargas del catalizador o diferente morfología, componentes que conducen iones o recubrimientos del electrodo que tienen macro o microestructuras irregulares, o lo similar. Las capas de la celda de combustible pueden incluir estructuras de soporte que pueden ser de naturaleza simétrica o asimétrica, en que pueden colocarse en el lado del ánodo y/o el lado del cátodo, pueden colocarse sólo en un lado de la capa de la celda de combustible, o pueden diferir en estructura del lado del ánodo al lado del cátodo .

[0046] Las capas de la celda de combustible 200, 250, 300, tienen dos tipos de recubrimientos del electrodo, a saber, los recubrimientos del cátodo 216C, 266C, 316C y los recubrimientos del ánodo 216A, 266A, 316A. Los recubrimientos del cátodo 216C, 266C, 316C, se colocan en el lado superior del compuesto 224, 274, 324 y se adhieren a la superficie superior del compuesto 224, 274, 324. Los recubrimientos del ánodo 216A, 266A, 316A se colocan en el lado inferior del compuesto 224, 274, 324, y se adhieren a la superficie inferior del compuesto 224, 274, 324. En las modalidades mostradas, juntas, las superficies inferiores 228, 278, 328 y los recubrimientos del ánodo 216A, 266A, 316A definen huecos 223, 273, 323, en los cuales puede introducirse un fluido. Los recubrimientos del ánodo y los recubrimientos del cátodo pueden prepararse utilizando los métodos y materiales que son conocidos generalmente en la técnica. Como se indicó anteriormente, los recubrimientos 216C, 266C y 316C pueden, de manera alterna, ser recubrimientos del ánodo; en tales modalidades, los recubrimientos 216A, 266A y 316A forman los recubrimientos del cátodo.

[0047] Las capas de la celda de combustible 200, 250, 300 tienen una o más celdas de combustible unitarias 220, 270, 320. En las modalidades mostradas, en una celda unitaria, un recubrimiento del cátodo se coloca en la superficie superior del componente que conduce iones asociado y es sustancialmente coextenso con el componente que conduce iones. Un recubrimiento del ánodo se coloca en la superficie inferior del componente que conduce iones asociado y es sustancialmente coextenso con el componente que conduce iones. El recubrimiento del cátodo de una celda unitaria se extiende sustancialmente sobre un primer componente que conduce electrones y el recubrimiento del ánodo se extiende sustancialmente sobre un segundo componente que conduce electrones. Tanto el recubrimiento del cátodo como el recubrimiento del ánodo están en contacto iónico con el componente que conduce iones y en contacto eléctrico con uno de los componentes que conducen electrones. En las modalidades mostradas, las celdas unitarias están conectadas en serie. Sin embargo, las celdas unitarias pueden, de manera alterna, conectarse en paralelo o en combinaciones en serie-paralelo.

[0048] La primera y tercera modalidades ilustradas, incluyen componentes que conducen iones asimétricos y colectores de corriente simétricos (incluyendo componentes que conducen electrones simétricos) . Sin embargo, en otras modalidades, los colectores de corriente o los componentes que conducen electrones pueden ser asimétricos. Las Figuras 5A-5C muestran vistas en sección transversal de las capas de la celda de combustible asimétricas, de acuerdo con la cuarta, quinta y sexta modalidades ejemplares. Las capas de la celda de combustible 350, 360, 370 tienen colectores de corriente asimétricos 357, 367, 377. En los colectores de corriente 357, los componentes que conducen electrones y las regiones de interfase son asimétricos con respecto a la forma y el área superficial (por ejemplo, las superficies superiores e inferiores de los componentes que conducen electrones y las regiones de interfase tienen diferentes áreas superficiales). En los colectores de corriente 367, 377, los componentes que conducen electrones son simétricos, mientras que las regiones de interfase son asimétricas con respecto a la forma y el área superficial (por ejemplo, las superficies superiores e inferiores de los componentes que conducen electrones, tienen la misma área superficial, mientras que las superficies superiores e inferiores de las regiones de interfase tienen diferentes áreas superficiales). Los colectores de corriente asimétricos de las modalidades ilustradas pueden permitir un montaje más fácil del sistema de la celda de combustible. En tales modalidades, la base más amplia de los colectores de corriente puede permitir un montaje más fácil del sistema de la celda de combustible, proporcionando un área mayor para la aplicación de un adhesivo .

[0049] La Figura 5D ilustra una séptima modalidad. La modalidad incluye componentes que conducen iones asimétricos y colectores de corriente asimétricos, en donde los colectores de corriente pueden colocarse en una geometría inversa con relación a los componentes que conducen iones, en comparación con las modalidades mostradas en las Figuras 5A-5C. En la Figura 5D, la base más amplia 382a del colector de corriente 382, se ilustra en la superficie inferior de la capa de la celda de combustible 385, y está alineada con la superficie plana 388a de los componentes que conducen iones 388. El borde más estrecho 382b del colector de corriente 382, está en la misma superficie de la capa de la celda de combustible 385 que la superficie cóncava 388b de los componentes que conducen iones 388. Tal orientación puede proporcionar ventajas en las modalidades en donde los componentes que conducen iones 388 están colocados como una disposición, en donde los componentes que recolectan la corriente 382 están colocados en una superficie plana de alguna clase para propósitos de fabricación. Una dispersión puede depositarse entre los componentes que recolectan la corriente adyacentes 382 (por ejemplo, desde arriba de los componentes que recolectan la corriente) , para formar los componentes que conducen iones 388.

[0050] Una persona con experiencia en la técnica apreciará que solo las modalidades seleccionadas de los colectores de corriente asimétricos se muestran en las modalidades ilustradas en la presente, y que muchas otras asimetrías alternas son posibles y están contempladas por los inventores.

[0051] Como puede observarse, los recubrimientos del electrodo de las capas de la celda de combustible 350, 360 son asimétricas con respecto a la forma y la posición de la superficie. Los recubrimientos del electrodo de las capas de la celda de combustible 350, 360 también pueden ser asimétricas con respecto al área superficial. La arquitectura de las capas de la celda de combustible 350, 360, puede ofrecer ventajas. Los recubrimientos del ánodo con forma de canal (o de manera alterna, con forma cóncava) , permiten huecos que pueden utilizarse como canales de flujo del fluido completos o parciales. Puesto que algunas celdas de combustible ejemplares, la reacción del cátodo tiene una cinética más lenta, el emplear recubrimientos del cátodo con un área superficial mayor, puede mejorar el rendimiento cinético en general del sistema de la celda de combustible.

[0052] Los recubrimientos del electrodo de la capa de la celda de combustible 370 son asimétricos con respecto al área superficial. Aunque tanto los recubrimientos del ánodo como los recubrimientos del cátodo pueden describirse como con forma de canal, los recubrimientos del cátodo tienen un área superficial mayor. La arquitectura de la capa de la celda de combustible 370 puede ofrecer ventabas. Los recubrimientos del ánodo con forma de canal (o de _ manera alterna, con forma cóncava), permiten huecos que pueden utilizarse como canales para el flujo de fluido completo o parcial. El área superficial mayor de los recubrimientos del cátodo puede mejorar el rendimiento cinético en general del sistema de la celda de combustible. El rebajo de los recubrimientos del cátodo (con respecto a la superficie superior de los componentes que conducen electrones), puede permitir una fabricación más simple de las capas de la celda de combustible.

[0053] Como se mencionó anteriormente, las capas de la celda de combustible pueden poseer además, cubiertas o estructuras de soporte, que pueden ser simétricas o asimétricas con relación a la capa de la celda de combustible, en que pueden colocarse tanto en el lado del ánodo como en el lado del cátodo, o solo el lado del ánodo, o solo en el lado del cátodo de la capa. Por ejemplo, en algunas modalidades, una estructura de soporte, tal como un material poroso dimensionalmente estable, puede unirse a los componentes que conducen electrones en el lado del cátodo de la capa de la celda de combustible. La estructura de soporte puede unirse a los componentes que conducen electrones utilizando un adhesivo, tal como, por ejemplo, un adhesivo de uretano, aunque cualquier medio adecuado de unión puede utilizarse. La estructura puede unirse de manera continua a lo largo de cada componente que conduce electrones, o puede unirse por puntos a intervalos regulares a lo largo de un componente que conduce electrones, individual. En algunas modalidades, la estructura de soporte puede unirse a cada componente que conduce electrones, mientras que en otras modalidades, la estructura de soporte puede unirse a uno o más componentes que conducen electrones. La estructura de soporte puede aplicarse con una tensión preesfuerzo para incrementar su resistencia a la deformación fuera del plano. Conforme los componentes que conducen iones se hidratan o la presión del gas se aplica a la cámara del ánodo, la estructura de soporte puede actuar como un miembro de tensión, evitando la deformación de los componentes que conducen iones. Las cubiertas unidas tales como aquellas descritas en la presente, pueden utilizarse solas o en combinación con los dos componentes que mejoran la robustez, en las modalidades en donde tal estabilización se desea. El material elegido para la estructura de soporte puede elegirse para maximizar las propiedades benéficas de la adición de una capa de transporte por encima del cátodo, mientras que también es dimensionalmente estable y de una fuerza de tensión suficiente para resistir o limitar la deformación de la capa del electrolito cuando, por ejemplo, se aplica presión del gas e hidratación. Los ejemplos de materiales de la estructura de soporte potencialmente útiles incluyen, por ejemplo, mallas, telas tejidas o no tejidas, hojas expandidas o hilos discretos compuestos de materiales inertes con propiedades apropiadas para utilizarse dentro de la celda de combustible incluyendo, por ejemplo, varios plásticos, cerámicas, papel y fibras orgánicas. Los ejemplos adicionales de los materiales potenciales pueden encontrarse en la solicitud de patente WO 2009/039654, titulada "Cubiertas para Celdas electroquímicas y Métodos Relacionados" .

[0054] En otras modalidades, una estructura de soporte, tal como una material poroso dimensionalmente estable, puede unirse a las celdas de combustible en el lado del ánodo de la capa de la celda de combustible. Como con una estructura de soporte unida al lado del cátodo de la capa de la celda de combustible, la estructura de soporte puede unirse a los colectores de corriente o a los recubrimientos del electrodo, o a un agente conductor colocado en la parte superior de los colectores de corriente. La unión puede implementarse utilizando un adhesivo, tal como, por ejemplo, un adhesivo de uretano, aunque cualquier medio adecuado de unión del material poroso a la capa de la celda de combustible puede emplearse. La estructura de soporte puede estar unida de manera continua a lo largo de cada colector de corriente, o puede unirse por puntos a intervalos regulares a lo largo de un colector de corriente individual. En algunas modalidades, la estructura de soporte puede unirse a cada colector de corriente, y en otras modalidades, la estructura de soporte puede unirse a uno o más colectores de corriente. En algunas modalidades, la estructura de soporte puede unirse a un distribuidor fluídico o de distribución de combustible, además de unirse a la capa de la celda de combustible, utilizando un adhesivo o cualquier otro método de unión adecuado. En algunas modalidades, conforma la presión del gas se aplica a la cámara del ánodo, la estructura de soporte puede actuar como un miembro de tensión, uniendo la capa de la celda de combustible al distribuidor. En tales modalidades, la estructura de soporte puede seleccionarse para tener beneficios adicionales, tales como mejorar o controlar la distribución del hidrógeno dentro de la cámara, ya sea de manera pasiva o activa, por ejemplo, utilizando materiales tales como aquellos descritos en la solicitud de patente WO 2009/039654, titulada "Cubiertas para Celdas Electroquímicas y Método Relacionados". Otros materiales de la estructura de soporte potencialmente útiles incluyen, por ejemplo, mallas, telas tejidas o no tejidas, hojas expandidas o hilos discretos compuestos de materiales inertes con propiedades apropiadas para utilizarse dentro de la celda de combustible incluyendo, por ejemplo, varios plásticos, cerámicas, papel y fibras orgánicas.

[0055] En las modalidades en donde se emplean estructuras de soporte, la capa de la celda de combustible puede colocarse de manera que los componentes que conducen iones pueden tener una superficie cóncava en uno o ambos lados de la capa. La superficie cóncava puede utilizarse para formar el lado del ánodo de la capa de la celda de combustible o el lado del cátodo de la capa de la celda de combustible .

[0056] La Figura 6 es un diagrama de bloques del proceso de un método para preparar una capa de la celda de combustible que tiene una arquitectura asimétrica, de acuerdo con una modalidad ejemplar. En el método 440, los colectores de corriente 402 se someten a una etapa de preparación del compuesto 400 para proporcionar un compuesto 412. El compuesto 412 se somete a una etapa de aplicación del catalizador 450 para proporcionar un compuesto recubierto 444. El compuesto recubierto 444 puede someterse a una etapa de unión 452 para proporcionar un compuesto unido 446. El compuesto unido 446 puede someterse a una etapa de grabado opcional 454, para proporcionar una capa de la celda de combustible 448 que tiene una arquitectura asimétrica.

[0057] La etapa de preparación del compuesto 400 puede incluir montar los colectores de corriente 402 y los componentes del electrolito. Por ejemplo, los colectores de corriente 402 pueden colocarse en tiras paralelas, y los componentes que conducen iones pueden colocarse entre los colectores de corriente adyacentes. Los componentes que conducen iones pueden colocarse vaciando y curando una dispersión de ionómero, por ejemplo, o pueden colocarse como tiras discretas de un material de membrana de intercambio de protones. Los componentes pueden unirse además, para crear la capa compuesta.

[0058] Los colectores de corriente 402 incluyen un material que conduce electrones y opcionalmente, un material no conductor. Por ejemplo, los colectores de corriente pueden incluir materiales que conducen electrones tales como carbono (por ejemplo, fibras de carbono, espumas de carbono, etc.), metales o aleaciones de metal. Los colectores de corriente pueden incluir un material no conductor, por ejemplo, un material aislante que es químicamente inerte. En una modalidad ejemplar, los colectores de corriente incluyen dos materiales no conductores; un relleno y un aglutinante no conductor.

[0059] En la modalidad mostrada, los colectores de corriente 402 son tiras de un material eléctricamente conductor rodeadas por un material eléctricamente no conductor, que puede opcionalmente, ser no iónicamente conductor. Sin embargo, los colectores de corriente de acuerdo con varias otras modalidades pueden utilizarse. Por ejemplo, los colectores de corriente pueden incluir un material que conduce electrones y omitir los componentes descritos del material eléctricamente no conductor, o pueden incluir el material eléctricamente no conductor colocado en un lado del material eléctricamente conductor únicamente. En algunas modalidades ejemplares, los colectores de corriente pueden incluir trayectorias eléctricamente conductoras incluidas en un armazón no eléctricamente conductor, tales como fibras de carbono incluidas en un armazón de epoxi, por ejemplo. En otra modalidad ejemplar, los colectores de corriente incluyen dos o más diferentes materiales que conducen electrones. Los colectores de corriente pueden tener perfiles de una variedad de formas, por ejemplo, rectangular (como se muestra) , trapezoidal o pueden tener el perfil de una lente convexa o cóncava .

[0060] la etapa de preparación del compuesto 400 puede incluir vaciar el material que conduce iones 406 entre los colectores de corriente 402 y curar. El material que conduce iones 406 puede incluir un polielectrolito, por ejemplo: ionómeros fluorados, tales como ácido perfluorosulfónico (por ejemplo, Nafion® ácido perfluorosulfónico de E. I. du Pont de Nemours and Company) ; o ionómeros no fluorados (por ejemplo, ionómeros basados en hidrocarburos) , tales como un copolimero de estireno y divinil-benceno . El material que conduce iones 406 puede incluir un ionómero en la forma de una dispersión (por ejemplo, una solución o suspensión), o un gel.

[0061] El material que conduce iones 406 puede colocarse utilizando una variedad de métodos. El material que conduce iones en la forma de una dispersión, puede colocarse utilizando una variedad de métodos, tales como distribución con jeringa, inmersión, rociado y vaciado en ranuras. En otras modalidades, un gel del material que conduce iones puede aplicarse utilizando una variedad de métodos, tales como serigrafía, recubrimiento con cuchilla y apretando de un distribuidor.

[0062] El curado puede incluir calentar los colectores de corriente 402 y el material que conduce iones 406 a, o a una temperatura que está por encima de la temperatura de transición vitrea o de curado del material que conduce iones 406. El curado puede, por ejemplo, inducir la reticulación, o puede formar canales que conducen iones en el material que conduce iones 406, para formar componentes que conducen iones.

[0063] De manera alterna, la etapa de preparación del compuesto 400 puede incluir montar los colectores de corriente 402 y el material que conduce iones 406 y unirlos. Por ejemplo, el material que conduce iones 406 puede estar en la forma de tiras de una membrana de intercambio de protones.

[0064] Las modificaciones del método 400 u otros métodos pueden practicarse para preparar un compuesto asimétrico. Por ejemplo, el método 400 puede modificarse agregando etapas adicionales, tales como una etapa de activación opcional. Una etapa de activación opcional puede incluir activar los colectores de corriente 402 para mejorar la adhesión del ionómero a la superficie de los colectores de corriente 402. En algunas modalidades, los componentes que conducen iones pueden formarse moldeando con inyección una resina precursora del ionómero entre los colectores de corriente adyacentes y a continuación hidrolizando el precursor para formar los componentes que conducen iones.

[0065] En otras modalidades, el método 400 puede modificarse practicando un método de modo continuo de preparar un compuesto asimétrico. Por ejemplo, los colectores de corriente pueden estar en la forma de un rollo continuo, que puede alinearse aplicando tensión en ambos lados del rollo. El material que conduce iones puede vaciarse en los espacios entre los colectores de corriente en el rollo. El rollo puede pasarse a través de cámaras y hornos para secar o curar el material que conduce iones.

[0066] Los compuestos asimétricos de algunas modalidades pueden prepararse mediante otros métodos ejemplares. Por ejemplo, el compuesto asimétrico de la Figura 3B puede prepararse vaciando un material que conduce iones en un sustrato que incluye los componentes que conducen electrones y las regiones de interfase o del sustrato .

[0067] En una modalidad, el compuesto 412 se somete a la etapa de aplicación del catalizador 450 para proporcionar un compuesto recubierto 450. La etapa de aplicación del catalizador 450 puede incluir aplicar una capa del cátodo a la superficie superior del compuesto 412, y una capa del ánodo a la superficie inferior del compuesto 412. De manera alterna, la etapa de aplicación del catalizador 450 puede incluir aplicar una capa del ánodo a la superficie superior y una capa del cátodo a la superficie inferior del compuesto 412. El compuesto recubierto 444 puede someterse a una etapa de unión 452. En la etapa de unión opcional 452, el compuesto recubierto 450 se calienta a una temperatura, y se somete a una presión durante un periodo de tiempo. El compuesto unido 446 puede someterse a una etapa de grabado opcional 454, para proporcionar una capa de la celda de combustible 448 que tiene una arquitectura asimétrica. La etapa de grabado 454, si está presente, puede realizarse antes de, o después de la etapa de unión 452. De manera alterna, el catalizador puede colocarse directamente en la capa compuesta en un patrón seleccionado, eliminando por lo tanto, la necesidad de la etapa de grabado 454. En otras modalidades, una capa adicional, tal como una estructura de soporte o capa de cubierta, puede agregarse a la capa de la celda de combustible después de la etapa de aplicación del catalizador 450, y antes de, o después de la etapa de unión opcional 452. Esta capa adicional puede unirse a la capa de la celda de combustible directamente, o puede unirse por otros medios.

[0068] Una capa de la celda de combustible asimétrica, tal como la modalidad mostrada en la Figura 2B, puede ser más simple de fabricar. La capa de la celda de combustible 200 tiene recubrimientos del ánodo que están rebajados de las superficies de los colectores de corriente .

[0069] La Figura 7 es una vista en perspectiva expandida de un sistema de celda de combustible ejemplar 500, que incluye una capa de la celda de combustible asimétrica, de acuerdo con una modalidad ejemplar. El sistema de la celda de combustible incluye una capa de la celda de combustible asimétrica 502, y un montaje del distribuidor del fluido 520. La capa de la celda de combustible 502, el montaje del distribuidor del fluido 520, o ambos, pueden ser flexibles, como se describe en la Publicación de la Solicitud de Patente de los Estados ?nidos consignada Núm. 2009/0081493, titulada "SISTEMAS DE CELDA DE COMBUSTIBLE QUE INCLUYEN UNA CÁMARA DE FLUIDO QUE AHORRA ESPACIO Y MÉTODOS RELACIONADOS", que se incorpora en la presente como referencia. Sin embargo, se entenderá que ni la capa de combustible 502 ni el montaje del distribuidor del fluido 520, necesitan ser flexibles.

[0070] En la modalidad ejemplar mostrada en la Figura 7, el montaje del distribuidor del fluido 520 incluye una capa de sello del distribuidor 526, una capa de conducto del distribuidor 524 que incluye canales 534, una capa interna del distribuidor 522 que incluye aberturas 532, y una capa de pedestal 510 que incluye resaltos 512. El montaje del distribuidor del fluido 520 puede acoplarse a un depósito del fluido (no mostrado) y opcionalmente, a un regulador de la presión del fluido (no mostrado) . El montaje del distribuidor del fluido 520 y el regulador de la presión del fluido (si está presente) , proporcionan la distribución, regulación y transferencia del combustible del depósito del fluido a la capa de la celda de combustible 502. En algunos ejemplos, el combustible puede entrar al montaje del distribuidor del fluido 520 vía la entrada del combustible 536 y desplazarse a través de los canales 534 y las aberturas de salida 532 hacia los recubrimientos del ánodo de la capa de la celda de combustible 502. La capa de la celda de combustible 502 puede acoplarse a la capa de pedestal 510, por ejemplo, vía unión, o un adhesivo.

[0071] La Figura 8 es una vista en sección transversal del sistema de la celda de combustible 500, tomada en la linea B-B' . La capa de la celda de combustible 502 es asimétrica, tiene forma de canal y recubrimientos del ánodo 504 que definen los huecos 506. En la modalidad mostrada, la capa de la celda de combustible 502 está acoplada a la capa de pedestal 510 vía un adhesivo 514. Como puede observarse, el adhesivo en exceso 514 puede fluir hacia los huecos 506. Con una capa de la celda de combustible asimétrica que tiene recubrimientos del ánodo a nivel con los componentes que conducen electrones, el adhesivo en exceso puede bloquear el área activa de los recubrimientos del ánodo. En consecuencia, un sistema de la celda de combustible que tenga una capa de la celda de combustible asimétrica, puede ser más simple de montar. Un método de montaje que incluye las capas de la celda de combustible asimétricas, puede producir sistemas de la celda de combustible menos defectuosos .

[0072] Los huecos pueden funcionar como canales de flujo parcial o completo a través de los cuales, el combustible o el oxidante pueden fluir. En la modalidad mostrada, los huecos 506 funcionan como canales de flujo parciales, que permiten el flujo del combustible de los canales 534 a los recubrimientos del ánodo 504. En consecuencia, un sistema de la celda de combustible que tenga una capa de la celda de combustible asimétrica, puede ocupar menos volumen que un sistema de la celda de combustible que tenga una capa de la celda de combustible plana de la técnica anterior. Los huecos pueden, opcionalmente, incluir un material poroso (no mostrado) o una estructura de soporte como se describió anteriormente, que puede utilizarse para efectuar la distribución del reactivo y/o proporcionar un soporte estructural adicional para la capa de la celda de combustible.

[0073] En algunas modalidades, la superficie de la capa del distribuidor interno 522 puede ser sustancialmente plana, como se ilustra en la Figura 8, en otras modalidades, podrían grabarse para proporcionar canales de flujo u otros medios de distribución del reactivo. En algunas modalidades, la capa de la celda de combustible 502 puede colocarse con una configuración de imagen especular con relación al distribuidor del fluido, con las porciones con forma de canal de los componentes que conducen iones formando los recubrimientos del cátodo. En tal modalidad, una capa porosa puede colocarse entre el distribuidor del fluido y la capa de la celda de combustible para proporcionar la distribución del reactivo, o el distribuidor puede grabarse para proporcionar canales de flujo dada una superficie del ánodo que esté a nivel con respecto a los componentes que conducen electrones.

Modalidades Adicionales

[0074] La presente invención proporciona las siguientes modalidades ejemplares, la numeración de las cuales no necesariamente se correlaciona con la numeración de las modalidades descritas en las Figuras:

[0075] La modalidad 1 proporciona un compuesto para una capa de la celda de combustible que incluye: una pluralidad de componentes que conducen electrones; una pluralidad de componentes que conducen iones, cada uno que tiene una primera superficie y una segunda superficie, y en donde cada componente que conduce iones, se coloca entre dos componentes que conducen electrones; en donde los componentes que conducen electrones y los componentes que conducen iones forman una capa; y en donde al menos uno de los componentes que conducen iones o los componentes que conducen electrones es geométricamente asimétrico en una o más dimensiones.

[0076] La modalidad 2 proporciona el compuesto de la modalidad 1, en donde: el compuesto tiene un espesor y al menos dos superficies; cada uno de los componentes que conducen iones definen un pasaje que conduce iones de una superficie a la otra; y cada uno de los componentes que conducen electrones definen un pasaje que conduce electrones de una superficie a la otra.

[0077] La modalidad 3 proporciona el compuesto de cualquiera de las modalidades 1-2, en donde al menos uno de los componentes que conducen iones es asimétrico.

[0078] La modalidad 4 proporciona el compuesto de cualquiera de las modalidades 1-3, en donde la primera y segunda superficies de al menos uno de los componentes que conducen iones son asimétricas con respecto al área superficial, la forma superficial, la posición con respecto al centro del compuesto, o una combinación de éstos.

[0079] La modalidad 5 proporciona el compuesto de cualquiera de las modalidades 1-4, incluyendo: colectores de corriente, cada colector de corriente incluye uno de los componentes que conducen electrones; y en donde los componentes que conducen iones se forman vaciando un material que conduce iones en los espacios entre los colectores de corriente.

[0080] La modalidad 6 proporciona el compuesto de la modalidad 5, en donde los colectores de corriente incluyen regiones de interfase.

[0081] La modalidad 7 proporciona el compuesto de cualquiera de las modalidades 1-6, en donde la primera y segunda superficies de al menos uno de los componentes que conducen iones, tienen diferentes áreas superficiales.

[0082] La modalidad 8 proporciona el compuesto de cualquiera de las modalidades 1-7, en donde la primera y segunda superficies de al menos uno de los componentes que conducen iones, tienen diferentes posiciones con respecto al centro del compuesto.

[0083] La modalidad 9 proporciona el compuesto de la modalidad 8, en donde una de la primera y segunda superficies está rebajada con respecto a la superficie correspondiente del componente que conduce electrones adyacente .

[0084] La modalidad 10 proporciona el compuesto de cualquiera de las modalidades 8-9, en donde una de la primera y segunda superficies está elevada con respecto a la superficie correspondiente del componente que conduce electrones adyacente.

[0085] La modalidad 11 proporciona el compuesto de cualquiera de las modalidades 1-10, en donde la primera y segunda superficies de al menos uno de los componentes que conducen iones tienen diferentes formas.

[0086] La modalidad 12 proporciona el compuesto de cualquiera de las modalidades 1-11, en donde la primera y segunda superficies de al menos uno de los componentes que conducen iones, tienen diferentes posiciones con respecto al centro del compuesto.

[0087] La modalidad 13 proporciona el compuesto de cualquiera de las modalidades 1-12, en donde una de la primera y segunda superficies es convexa.

[0088] La modalidad 14 proporciona el compuesto de cualquiera de las modalidades 1-13, en donde una de la primera y segunda superficies es cóncava.

[0089] La modalidad 15 proporciona el compuesto de cualquiera de las modalidades 1-14, en donde una de la primera y segunda superficies tiene forma de canal.

[0090] La modalidad 16 proporciona el compuesto de cualquiera de las modalidades 1-15, incluyendo: colectores de corriente, cada colector de corriente incluye uno de los componentes que conducen electrones; y en donde los componentes que conducen iones se forman vaciando un material que conduce iones en los espacios entre los colectores de corriente.

[0091] La modalidad 17 proporciona el compuesto de cualquiera de las modalidades 1-16, en donde los colectores de corriente incluyen regiones de interfase.

[0092] La modalidad 18 proporciona el compuesto de cualquiera de las modalidades 1-17, incluyendo: colectores de corriente, cada colector de corriente incluye uno de los componentes que conducen electrones; y en donde al menos uno de los colectores de corriente es asimétrico.

[0093] La modalidad 19 proporciona el compuesto de la modalidad 18, en donde el colector de corriente asimétrico incluye un componente que conduce electrones que es asimétrico.

[0094] La modalidad 20 proporciona el compuesto de cualquiera de las modalidades 18-19, en donde dos superficies opuestas del componente que conduce electrones asimétrico tienen diferentes áreas superficiales.

[0095] La modalidad 21 proporciona el compuesto de cualquiera de las modalidades 1-20, incluyendo: colectores de corriente, cada colector de corriente incluye uno de los componentes que conducen electrones; y en donde al menos uno de los colectores de corriente es asimétrico.

[0096] La modalidad 22 proporciona el compuesto de la modalidad 21, en donde el colector de corriente asimétrico incluye un componente que conduce electrones que es asimétrico.

[0097] La modalidad 23 proporciona el compuesto de cualquiera de las modalidades 21-22, en donde dos superficies opuestas del componente que conduce electrones asimétrico tienen diferentes áreas superficiales.

[0098] La modalidad 24 proporciona una celda de combustible, que incluye: una capa compuesta que incluye un componente que conduce iones geométricamente asimétrico, que tiene una primera superficie y una segunda superficie, y dos o más componentes que conducen electrones que tienen una primera superficie y una segunda superficie, en donde el componente que conduce iones se coloca entre los componentes que conducen electrones; y dos recubrimientos del electrodo que están cada uno en contacto iónico con el componente que conduce iones y en contacto eléctrico con uno de los componentes que conduce electrones.

[0099] La modalidad 25 proporciona la celda de combustible de la modalidad 24, en donde los dos recubrimientos del electrodo incluyen un recubrimiento del cátodo colocado en la primera superficie del componente que conduce iones, y un recubrimiento del ánodo colocado en la segunda superficie del componente que conduce iones.

[0100] La modalidad 26 proporciona la celda de combustible de cualquiera de las modalidades 24-25, en donde el recubrimiento del ánodo y el recubrimiento del cátodo son asimétricos con respecto al área superficial, la forma superficial, la posición con respecto al centro del compuesto, o una combinación de éstos.

[0101] La modalidad 27 proporciona la celda de combustible de cualquiera de las modalidades 24-26, en donde el recubrimiento del ánodo y el recubrimiento del cátodo tienen diferentes áreas superficiales.

[0102] La modalidad 28 proporciona la celda de combustible de cualquiera de las modalidades 24-27, que incluye: dos colectores de corriente, cada colector de corriente incluye uno de los componentes que conducen electrones; y en donde el componente que conduce iones se forma vaciando un material que conduce iones en los espacios entre los colectores de corriente.

[0103] La modalidad 29 proporciona la celda de combustible de cualquiera de las modalidades 24-28, en donde los colectores de corriente incluyen regiones de interfase .

[0104] La modalidad 30 proporciona la celda de combustible de cualquiera de las modalidades 24-29, en donde el recubrimiento del ánodo y el recubrimiento del cátodo tienen diferentes formas.

[0105] La modalidad 31 proporciona la celda de combustible de cualquiera de las modalidades 24-30, en donde el recubrimiento del ánodo o el recubrimiento del cátodo es convexo.

[0106] La modalidad 32 proporciona la celda de combustible de cualquiera de las modalidades 24-31, en donde el recubrimiento del ánodo o el recubrimiento del cátodo es cóncavo.

[0107] La modalidad 33 proporciona la celda de combustible de cualquiera de las modalidades 24-32, en donde el recubrimiento del ánodo es cóncavo y define un hueco en el cual puede introducirse un fluido.

[0108] La modalidad 34 proporciona la celda de combustible de cualquiera de las modalidades 24-33, en donde el recubrimiento del ánodo o el recubrimiento del cátodo tiene forma de canal.

[0109] La modalidad 35 proporciona la celda de combustible de cualquiera de las modalidades 24-34, en donde el recubrimiento del ánodo tiene forma de canal y define un hueco en el cual puede introducirse un fluido.

[0110] La modalidad 36 proporciona la celda de combustible de cualquiera de las modalidades 24-35, que incluye: dos colectores de corriente, cada colector de corriente incluye uno de los componentes que conducen electrones; y en donde el componente que conduce iones se forma vaciando un material que conduce iones en los espacios entre los colectores de corriente.

[0111] La modalidad 37 proporciona la celda de combustible de la modalidad 36, en donde los colectores de corriente incluyen regiones de interfase.

[0112] La modalidad 38 proporciona la celda de combustible de cualquiera de las modalidades 24-37, en donde la primera superficie y la segunda superficie de los componentes que conducen electrones tienen diferentes áreas superficiales .

[0113] La modalidad 39 proporciona la celda de combustible de cualquiera de las modalidades 24-38, que incluye: dos colectores de corriente, cada colector de corriente incluye uno de los componentes que conducen electrones; y en donde al menos uno de los colectores de corriente es asimétrico.

[0114] La modalidad 40 proporciona la celda de combustible de la modalidad 39, en donde el colector de corriente asimétrico incluye un componente que conduce electrones que es asimétrico.

[0115] La modalidad 41 proporciona la celda de combustible de cualquiera de las modalidades 39-40, en donde la primera superficie y la segunda superficie del componente que conduce electrones asimétrico tienen diferentes áreas superficiales.

[0116] La modalidad 42 proporciona la celda de combustible de cualquiera de las modalidades 39-41, en donde los colectores de corriente incluyen regiones de interfase y en donde el colector de corriente asimétrico incluye una región de interfase que es asimétrica.

[0117] La modalidad 43 proporciona una capa de la celda de combustible, que incluye: dos o más celdas de combustible de cualquiera de las reivindicaciones 24-42, colocadas de manera adyacente para formar una capa sustancialmente plana.

[0118] La descripción anterior pretende ser ilustrativa y no restrictiva. Pueden utilizarse otras modalidades, tales como por alguien con experiencia ordinaria en la técnica tras revisar la descripción anterior [sic]. También en la Descripción Detallada anterior, varias características pueden agruparse para hacer más eficiente la descripción. Esto no debería interpretarse como que se pretende que una característica descrita no reclamada sea esencial a alguna reivindicación. En su lugar, la materia inventiva puede caer en menos que todas las características de una modalidad descrita particular. Así, las siguientes reivindicaciones se incorporan en la presente en la Descripción Detallada, con cada reivindicación que se sustenta por sí misma como una modalidad separada. El alcance de la invención debería determinarse con referencia a las reivindicaciones anexas, junto con el alcance completo de los equivalentes a los cuales tales reivindicaciones tienen derecho.

[0119] El Resumen se proporciona para cumplir con 37 C.F.R. § 1.72(b), para permitir al lector determinar rápidamente la naturaleza de la descripción técnica. Se presenta con el entendimiento de que no se utilizará para interpretar o limitar el alcance o significado de las reivindicaciones .

Claims (43)

REIVINDICACIONES :

1. Un compuesto para una capa de la celda de combustible, que comprende: una pluralidad de componentes que conducen electrones ; una pluralidad de componentes que conducen iones, cada uno tiene una primera superficie y una segunda superficie y en donde cada componente que conduce iones se coloca entre dos componentes que conducen electrones; en donde lo componentes que conducen electrones y los componentes que conducen iones forman una capa; y en donde al menos uno de los componentes que conducen iones o los componentes que conducen electrones es geométricamente asimétrico en una o más dimensiones.

2. El compuesto según la reivindicación 1, en donde : el compuesto tiene un espesor y al menos dos superficies ; cada uno de los componentes que conducen iones define un pasaje que conduce iones de una superficie a la otra; y cada uno de los componentes que conducen electrones define un pasaje que conduce electrones de una superficie a la otra.

3. El compuesto según la reivindicación 1, en donde al menos uno de los componentes que conducen iones es asimétrico .

4. El compuesto según la reivindicación 3, en donde la primera y segunda superficies de al menos uno de los componentes que conducen iones son asimétricas con respecto al área superficial, forma superficial, posición con respecto al centro del compuesto, o una combinación de éstos .

5. El compuesto según la reivindicación 1 ó 3, que comprende : colectores de corriente, cada colector de corriente comprende uno de los componentes que conducen electrones; y en donde los componentes que conducen iones son formados vaciando un material que conduce iones en los espacios entre los colectores de corriente.

6. El compuesto según la reivindicación 5, en donde los colectores de corriente comprenden regiones de interfase .

7. El compuesto según la reivindicación 3, en donde la primera y segunda superficies de al menos uno de los componentes que conducen iones tienen diferentes áreas superficiales .

8. El compuesto según la reivindicación 1, 3 ó 7, en donde la primera y segunda superficies de al menos uno de los componentes que conducen iones tienen diferentes posiciones con respecto al centro del compuesto.

9. El compuesto según la reivindicación 8, en donde una de la primera y segunda superficies está rebajada con respecto a la superficie correspondiente del componente que conduce electrones adyacente.

10. El compuesto según la reivindicación 8, en donde una de la primera y segunda superficies está elevada con respecto a la superficie correspondiente del componente que conduce electrones adyacente.

11. El compuesto según la reivindicación 3 ó 7, en donde la primera y segunda superficies de al menos uno de los componentes que conducen iones tienen diferentes formas .

12. El compuesto según la reivindicación 11, en donde la primera y segunda superficies de al menos uno de los componentes que conducen iones tienen diferentes posiciones con respecto al centro del compuesto.

13. El compuesto según la reivindicación 11, en donde una de la primera y segunda superficies es convexa.

14. El compuesto según la reivindicación 11, en donde una de la primera y segunda superficies es cóncava.

15. El compuesto según la reivindicación 11, en donde una de la primera y segunda superficies tiene forma de canal .

16. El compuesto según la reivindicación 15, que comprende : colectores de corriente, cada colector de corriente comprende uno de los componentes que conducen electrones; y en donde los componentes que conducen iones son formados vaciando un material que conduce iones en los espacios entre los colectores de corriente.

17. El compuesto según la reivindicación 16, en donde los colectores de corriente comprenden regiones de interfase .

18. El compuesto según la reivindicación 1, 3, 4 ó 7, que comprende: colectores de corriente, cada colector de corriente comprende uno de los componentes que conducen electrones; y en donde al menos uno de los colectores de corriente es asimétrico.

19. El compuesto según la reivindicación 18, en donde el colector de corriente asimétrico comprende un componente que conduce electrones que es asimétrico.

20. El compuesto según la reivindicación 19, en donde dos superficies opuestas del componente que conduce electrones asimétrico tienen diferentes áreas superficiales .

21. El compuesto según la reivindicación 8, que comprende : colectores de corriente, cada colector de corriente comprende uno de los componentes que conducen electrones; y en donde al menos uno de los colectores de corriente es asimétrico.

22. El compuesto según la reivindicación 21, en donde el colector de corriente asimétrico comprende un componente que conduce electrones que es asimétrico.

23. El compuesto según la reivindicación 22, en donde dos superficies opuestas del componente que conduce electrones asimétrico tienen diferentes áreas superficiales .

24. Una celda de combustible, que comprende: una capa compuesta que incluye un componente que conduce iones geométricamente asimétrico que tiene una primera superficie y una segunda superficie y dos o más componentes que conducen electrones que tienen una primera superficie y una segunda superficie, en donde el componente que conduce iones está colocado entre los componentes que conducen electrones; y dos recubrimientos del electrodo que están cada uno, en contacto iónico con el componente que conduce iones y en contacto eléctrico con uno de los componentes que conducen electrones.

25. La celda de combustible según la reivindicación 24, en donde los dos recubrimientos del electrodo comprenden un recubrimiento del cátodo colocado en la primera superficie del componente que conduce iones y un recubrimiento del ánodo colocado en la segunda superficie del componente que conduce iones.

26. La celda de combustible según la reivindicación 25, en donde el recubrimiento del ánodo y el recubrimiento del cátodo son simétricos con respecto al área superficial, la forma superficial, la posición con respecto al centro del compuesto, o una combinación de éstos .

27. La celda de combustible según la reivindicación 25, en donde el recubrimiento del ánodo y el recubrimiento del cátodo tienen diferentes áreas superficiales .

28. La celda de combustible según la reivindicación 25 ó 27, que comprende: dos colectores de corriente, cada colector de corriente incluye uno de los componentes que conducen electrones; y en donde el componente que conduce iones se forma vaciando un material que conduce iones en los espacios entre los colectores de corriente.

29. La celda de combustible según la reivindicación 28, en donde los colectores de corriente comprenden regiones de interfase.

30. La celda de combustible según la reivindicación 25 ó 27, en donde el recubrimiento del ánodo y el recubrimiento del cátodo tienen diferentes formas.

31. La celda de combustible según la reivindicación 30, en donde el recubrimiento del ánodo o el recubrimiento del cátodo es convexo.

32. La celda de combustible según la reivindicación 30, en donde el recubrimiento del ánodo o el recubrimiento del cátodo es cóncavo.

33. La celda de combustible según la reivindicación 32, en donde el recubrimiento del ánodo es cóncavo y define un hueco en el cual puede introducirse un fluido .

34. La celda de combustible según la reivindicación 30, en donde el recubrimiento del ánodo o el recubrimiento del cátodo tiene forma de canal.

35. La celda de combustible según la reivindicación 34, en donde el recubrimiento del ánodo es con forma de canal y define un hueco en el cual puede introducirse un fluido.

36. La celda de combustible según la reivindicación 30, que comprende: dos colectores de corriente, cada colector de corriente incluye uno de los componentes que conducen electrones; y en donde el componente que conduce iones se forma vaciando un material que conduce iones en los espacios entre los colectores de corriente.

37. La celda de combustible según la reivindicación 36, en donde los colectores de corriente comprenden regiones de interfase.

38. La celda de combustible según la reivindicación 25 ó 27, en donde la primera superficie y la segunda superficie de los componentes que conducen electrones tienen diferentes áreas superficiales.

39. La celda de combustible según la reivindicación 25 ó 27, que comprende: dos colectores de corriente, cada colector de corriente comprende uno de los componentes que conducen electrones; y en donde al menos uno de los colectores de corriente es asimétrico.

40. La celda de combustible según la reivindicación 39, en donde el colector de corriente asimétrico comprende un componente que conduce electrones que es asimétrico.

41. La celda de combustible según la reivindicación 40, en donde la primera superficie y la segunda superficie del componente que conduce electrones asimétrico tienen diferentes áreas superficiales.

42. La celda de combustible según la reivindicación 39, en donde los colectores de corriente comprenden regiones de inferíase y en donde el colector de corriente asimétrico comprende una región de inferíase que es asimétrica.

43. Una capa de la celda de combustible, que comprende : dos o más celdas de combustible según cualquiera de las reivindicaciones 24-42, colocadas de manera adyacente, de manera que forman una capa sustancialmente plana .