ES2409454B1 - Placa de pila de combustible con varias áreas de reacción química. - Google Patents

Abstract

Placa de pila de combustible con varias áreas de reacción química.#La placa de pila de combustible, que se utiliza generalmente para distribuir de forma homogénea los fluidos reactantes sobre las áreas de reacción química correspondientes a las capas catalíticas (electrodos), presenta, en al menos una de las dos caras, dos o más áreas de reacción química una geometría de flujo determinada, de manera que se optimiza la producción de corriente por celda utilizando ensamblajes de membrana y electrodo del mismo tamaño, reduciendo el espacio necesario, el peso final y los costes totales de la pila hasta en un 25%, en general.

Description

PLACA DE PILA DE REACCIÓN QUÍMICA

COMBUSTIBLE CON DESCRIPCIÓN VARIAS ÁREAS DE

5

OBJETO DE LA INVENCIÓN

1 o

El objeto principal de la presente invención es una placa de pila de combustible con varias áreas de reacción química, que se utiliza, en general, para distribuir homogéneamente los gases reactantes sobre las capas catalíticas (electrodos) de las pilas de combustible, optimizando la producción de voltaje por celda, reduciendo el espacio necesario, el peso final y los costes totales de la pila hasta en un 25%, en general.

15 2 o

Las aplicaciones en las que pueden emplearse estas pilas de combustible son muy variadas, abarcando desde las portátiles con micropilas como cargadores de móviles, suministro de energía para ordenadores portátiles entre otros, hasta las estacionarias en unidades de alimentación ininterrumpida o de back-up, unidades de calor y potencia para casas y urbanizaciones, etc., pasando por las móviles (automóviles, sillas de rueda, vehículos especiales, etc.).

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

2 5 3 o

En general, la pila de combustible es un sistema de producción de energía basado en la descomposición del combustible en el ánodo, gracias a la presencia de un catalizador, en electrones e iones. Un medio electrolítico separa el ánodo del cátodo, y permite únicamente el paso de los iones a través del mismo, impidiendo que los electrones puedan atravesarlo. Cuando la corriente electrónica se hace circular por el exterior de la pila, el dispositivo actúa como generador de electricidad. Finalmente,

electrones e iones se recombinan en el cátodo.

La pila de combustible está formada por un ensamblaje o apilamiento

de celdas de combustible (fue// ce// stack), en un número suficiente para

asegurar la producción de electricidad. La estructura física básica de una

5

celda elemental comprende una capa de electrolito en contacto con una

capa catalítica a cada lado, que actúan como ánodo y cátodo

respectivamente. A este conjunto se le denomina ensamblaje de

membrana y electrodos, o MEA. Las pilas de combustible comprenden

además capas difusoras de gases y placas bipolares a ambos lados de la

1 o

MEA. Además, son también necesarios una serie de elementos

adicionales como son las placas terminales, las juntas y sellos, los tornillos

y tuercas que aseguran la estanqueidad necesaria en las diferentes zonas

de la pila, así como otros elementos de conexión y aislamiento.

Las placas de pilas de combustibles son elementos mecánicos que

15

delimitan la celda, facilitan la entrada de los diferentes gases que

reaccionan así como la salida de los productos de las reacciones en cada

uno de los electrodos, y es el elemento sobre el que se realizan las

conexiones del circuito eléctrico exterior.

La placa de pila de combustible incorpora un área de reacción

2 o

química que se encuentra en contacto con la parte del electrodo

correspondiente. Las áreas de reacción química presentan geometrías de

flujo formada por canales delimitados por nervios, por los que se

distribuyen los fluidos reactantes que se van a ir consumiendo en el

electrodo correspondiente.

2 5

En la actualidad, y como referencia al estado de la técnica, debe

mencionarse que existen gran variedad de diseños en placas para pilas de

combustible que intentan resolver los problemas actuales: elevado coste,

complejidad de los procesos de mecanizado o sinterizado, precisión

requerida en la conformación de las placas bipolares para el correcto

3 o

contacto eléctrico y evitar las fugas en el sellado, elevada resistencia

eléctrica de algunos materiales conductores usados en las placas

bipolares, la obstrucción de una parte importante de la superficie activa del

electrodo por los contactos eléctricos, entre las placas bipolares y los

electrodos, que dificultan el acceso de gas a los puntos de catálisis, el

peso excesivo de los componentes pasivos de la pila (bipolares, prensa de

5

cerramiento, dispositivos de alimentación, conexión, refrigeración y

soporte, etc.).

Son conocidos múltiples tipos de placas para pilas de combustibles,

como son, por ejemplo: US 143967P (Teledyne Energy System, lnc.)

1999, US 3 801 374 (2000), GB 1 135 076 (2001 ), US 4 117 065 (2002),

1 o

US 4 360 485 (2002), DE 103 43 267 (Martin GMBH) 2003, US 6 764 786

B2 (Aaron W. Morrow) 2004, FR 2 81 O 795 A 1 (2004), ES 2 235 915 T3

(Braun, James, C.) 2005, ES P200602547 (Barreras T. Félix) 2006, ES 2

280 641 T3 (Muller, Alwin) 2007, US 7419739 (Lai; Yeh-Hung) 2008.

En esos diferentes registros patentados se reflejan variantes en sus

15

diseños y composición para la fabricación de placas, sin embargo debe

señalarse que, por parte del peticionario, se desconoce la existencia de

alguno que presente las características técnicas, estructurales y de

configuración semejante a las que describe el sistema objeto de la

invención.

20

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La placa de pila de combustible con varias áreas de reacción

química es un sistema de distribución de fluidos reactantes diseñado para

2 5

optimizar la producción de voltaje por celda, reduciendo el espacio

necesario, el peso final y los costes totales de la pila hasta en un 25%, en

general.

Con el fin de realizar esta función, la placa objeto de la invención

presenta, en al menos una de las dos caras, dos o más áreas de reacción

3 o

química con las que, independientemente de la geometría de flujo que

expongan, se proporciona mayor corriente utilizando ensamblajes

membrana-electrodo (MEAs) del mismo tamaño que con la placa de una sola área de reacción química. Concretamente, se ha comprobado que la corriente total proporcionada por una celda utilizando placas objeto de la invención, con dos áreas de reacción química, es cercana al doble de la

5 que brindan los diseños actuales de celda utilizando placa con una sola área de reacción química y las mismas MEAs. Estos resultados se pueden extrapolar hasta un cierto número de áreas de reacción química por placa de pila de combustible.

10 El área de reacción química puede ser cuadrangular, presentando los canales de entrada y salida en los dos extremos opuestos de una misma diagonal, o también, puede ser circular o elíptica, presentando los canales de entrada y salida en los dos extremos opuestos de un mismo eje de simetría tal que forme un ángulo variable, entre 11 oo y 150°, con los

15 canales en los que se ramifica inicialmente.

La placa objeto de la invención puede incorporar también una serie de elementos típicos en las placas de pilas de combustible como por ejemplo:

2 o • rebajes realizados en la parte trasera de la placa, para facilitar el suministro y extracción de fluidos reactantes, comunicando el colector de entrada con el área de reacción química a través del canal de entrada y el área de reacción química con el colector de salida a través del canal de salida, respectivamente,

2 5 • agujeros para el paso de los tornillos como sistema de fijación de las placas que componen la pila,

• alojamientos y ranuras circulares para la colocación de juntas tóricas como sistema de sellado,

3 o Por otro lado, cuando se requieren condiciones de explotación de la pila (presión y caudal de fluidos) con régimen de circulación del fluido

oxidante en los cátodos quot;intermitentequot;, el conducto de salida debe

incorporar un sistema de control que permita, mediante una válvula de

drenaje, el cierre del circuito, durante un tiempo dado, haciendo que se

sobrepresione ligeramente el cátodo. Esta operación permite que al

5

abrirse dicha válvula de drenaje el gas arrastre las gotas de agua

generadas por la reacción química de forma más eficiente. En el caso del

ánodo, trabajando en régimen quot;cerradoquot;, también se requiere un sistema

de control que chequea el valor de la presión, y un sistema de purgado.

10

La placa objeto de la invención puede emplearse para fabricar

placas bipolares o monopolares, pudiendo estar o no refrigeradas a través

de conductos de circulación de fluido refrigerante. Los métodos de

fabricación de estas placas pueden ser mediante mecanizado, moldeado o

estampado. Por último, estas placas pueden utilizarse para la fabricación

15

de pilas de combustible de los diferentes tipos PEM, óxido-sólido planas,

pilas alcalinas, entre otras.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

20

Para complementar la descripción que se está realizando y con

objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la

invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de

la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un

juego de figuras en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha

2 5

representado lo siguiente:

La figura 1 muestra una vista frontal de una placa con dos áreas de

reacción química y con sendas geometrías de flujo.

Las figuras 2a y 2b muestran la cara principal y la cara posterior de

una placa bipolar, con dos áreas de reacción química por cada cara y con

3 o

sendas geometrías de flujo.

Las figuras 3a y 3b muestran la cara principal y la cara posterior de

una placa monopolar refrigerada. La figura 3a muestra la cara principal, con

dos áreas de reacción química y con sendas geometrías de flujo, y la figura

3b muestra la cara posterior, con los conductos de circulación de fluido

refrigerante.

5

Las figuras 4a y 4b muestran la cara principal y la cara opuesta de

una placa empleada como placa monopolar refrigerada, adaptada para

poder unirse a la anterior placa monopolar refrigerada, mostrada en las

figuras 3a y 3b. La figura 4a muestra la cara principal, con dos áreas de

reacción química y con sendas geometrías de flujo, y la figura 4b muestra la

1 o

cara posterior, con los conductos de circulación de fluido refrigerante y un

alojamiento alrededor de toda el área de refrigeración para la colocación de

una junta tórica que evite el escape del fluido refrigerante.

Las figuras 5a y 5b muestran dibujos axonométricos de las dos

placas monopolares refrigeradas anteriores que unidas, a través de las

15

caras refrigeradas, forman una placa bipolar refrigerada. Concretamente, la

figura 5a corresponde a la figura 3a, mientras que la figura 5b corresponde

la figura 4b.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

20

A la vista de las mencionadas figuras, y de acuerdo con la

numeración adoptada, se puede observar en ellas un ejemplo de realización

preferente de la invención, la cual comprende las partes y elementos que se

indican y describen en detalle a continuación.

2 5

Así, tal y como se observa en la citada figura 1, podemos describir

una de las dos caras de una placa para pila de combustible con dos áreas

de reacción química (1, 2) con forma cuadrangular, dispuestas

simétricamente respecto a la horizontal. Concretamente, en este ejemplo

de realización, podemos ver que el área de reacción química (1) tiene una

3 o

geometría de flujo tal que a su vez se subdivide en dos estructuras

laberínticas (3, 4), separadas simétricamente por un nervio central (23),

que incorpora múltiples canales (5) separados por nervios (6)

El fluido de la pila, entrando por un orificio de entrada (7), alcanza el

área de reacción química (1) a través de un canal de entrada (8), el cual se

transforma en dos canales paralelos, separados por el nervio central (23),

5

que a su vez se van bifurcando ocupando, según el diseño, toda la

geometría y terminan confluyendo en un canal de salida (9) el cual evacua

los fluidos excedentes a través de un orificio de salida (1 0).

Las figuras 2a y 2b muestran las dos caras de una placa bipolar. En

1 o

este caso, ambas caras (11, 12), presentan dos áreas de reacción química

con sendas geometrías de flujo, para la distribución de fluidos reactantes.

En la cara principal (11) se muestran orificios para alojar tornillos de

apriete (13), así como asientos para el posicionamiento de juntas tóricas

(14) que permiten el correcto sellado de los gases reactantes.

15

Las figuras 3a y 3b muestran las dos caras de una placa monopolar

refrigerada. En este caso, la cara principal (15) incorpora dos áreas de

reacción química con sendas geometrías de flujo, y la cara posterior (16)

incorpora los conductos de circulación de fluido refrigerante (17). El

2 o

suministro de fluidos reactantes hacia el área de reacción química (1) se

realiza, en este ejemplo, a través de un rebaje de entrada (18) realizado

en la parte trasera que comunica con el canal de entrada (8). La salida de

los fluidos reactantes excedentes se realiza de forma análoga, a través de

un rebaje de salida (19).

25

Las figuras 4a y 4b muestran las dos caras de una placa monopolar

refrigerada, adaptada para poder unirse a la anterior placa monopolar

refrigerada, mostrada en las figuras 3a y 3b, para formar una placa bipolar

refrigerada. La cara principal (20) incorpora dos áreas de reacción química

3 o

con sendas geometrías de flujo, y la cara posterior (21) incorpora los

conductos de circulación de fluido refrigerante (17) y un alojamiento

perimetral (22) para la colocación de una junta tórica que evite el escape del fluido refrigerante.

Las figuras 5a y 5b muestran dibujos axonométricos de las dos

s placas monopolares refrigeradas anteriores que unidas, a través de las caras refrigeradas, forman una placa bipolar refrigerada. Concretamente, la figura 5a corresponde a la figura 3a, mientras que la figura 5b equivale a la figura 4b.

Claims (6)

1. REIVINDICACIONES

   1. Placa de pila de combustible caracterizada porque al menos una de las

   dos caras de la placa, bien la cara principal (11, 15, 20) o bien la cara 5 posterior (12, 16, 21 ), incorpora dos o más áreas de reacción química (1 ).

2. 2.

   Placa de pila de combustible según la reivindicación 1 caracterizada porque la cara principal (11) y la cara posterior (12), incorporan dos o más áreas de reacción química (1 ), constituyendo una placa bipolar.

3. 3.

   Placa de pila de combustible según la reivindicación 1 caracterizada porque la cara principal (15, 20) incorpora dos o más áreas de reacción química (1 ), mientras que la cara posterior (16, 21) presenta canales para la circulación del fluido refrigerante (17), constituyéndose una placa

   15 monopolar refrigerada.
4. 4. Placa de pila de combustible según la reivindicación 3 caracterizada porque la cara posterior (21) incorpora un alojamiento perimetral (22) adaptado para la colocación de una junta tórica que evite el escape del

   2 o fluido refrigerante al unirse con otra monopolar refrigerada para formar una placa bipolar refrigerada.
5. 5. Placa de pila de combustible según la reivindicación 1 caracterizada porque la cara posterior (12, 16, 21) comprende un rebaje de entrada (18)

   2 5 y un rebaje de salida (19), que comunican con el canal de entrada (8), para facilitar el suministro del reactante, y con el canal de salida (9), para facilitar la evacuación de los excedentes respectivamente.
6. 6. Placa de pila de combustible según la reivindicación 1 caracterizada

   3 o porque al menos una de las dos caras de la placa, bien la cara principal (11, 15, 20) o bien la cara posterior (12, 16, 21 ), incorpora orificios para alojar

   tornillos de apriete (13).

   s

   7. Placa de pila de combustible según la reivindicación 1 caracterizada porque al menos una de las dos caras de la placa, bien la cara principal (11, 15, 20) o bien la cara posterior (12, 16, 21 ), incorpora asientos para el posicionamiento de las juntas tóricas (14) que permiten el correcto sellado de los gases reactantes.

   1 o

   8. Placa de pila de combustible según la reivindicación 1 caracterizada porque están fabricadas en un material seleccionado entre metales, óxidos metálicos, compuestos poliméricos y grafito.