Pila de consumo que comprende una pila de combustibles.

Pila de consumo que comprende una unidad generadora de electricidad (UGE) 100 y una unidad portadora de combustible (UPC) 200 que forman una pila de combustible tubular pasiva.

La UGE comprende un colector tubular externo 130 y un colector tubular interno 140, de manera que los componentes de la UGE están dispuestos entre ambos y el colector tubular interno aplica presión hacia el exterior sobre dichos componentes. La UGE también comprende dos celdas tubulares adyacentes generadoras de electricidad conectadas en serie 110 y 120, que pueden estar dispuesta bien consecutivamente bien concéntricamente. Cada celda tubular comprende una membrana de intercambio de protones que a cada lado incorpora un catalizador y un difusor de gases, y también comprende dos o más juntas cilíndricas para sellar la celda y evitar la fuga de gases

Pila de consumo que comprende una pila de combustible.

La presente invención se refiere a una pila de consumo que comprende una unidad generadora de electricidad y una unidad portadora de combustible, las cuales forman una pila de combustible pasiva con formato tubular, estando la unidad generadora de electricidad provista de un colector tubular externo de corriente, de manera que la unidad portadora de combustible proporciona un combustible gaseoso a la unidad generadora de electricidad, siendo el comburente el oxígeno del aire.

Estado de la técnica anterior

Las pilas llamadas "de consumo" son dispositivos electroquímicos unitarios que proporcionan corriente continua a 1,5 V en circuito abierto (si la pila es monocelda; si es multicelda el voltaje será múltiplo de 1,5 V). Estas pilas se comercializan con diferentes formatos normalizados; la pila de consumo más típica es la LR6 ó AA, que tiene una forma cilíndrica de 50,5 mm de altura y 14,2 mm de diámetro.

Actualmente el mercado de las pilas de consumo está dominado por la química del Zn-MnO₂ (preferentemente en su forma alcalina), pero la rápida evolución de la electrónica ha hecho que, en muchas ocasiones, la demanda de energía eléctrica en equipos portátiles no quede satisfecha con la energía suministrada por las pilas alcalinas tradicionales. Esta limitación está propiciando el desarrollo de tecnologías alternativas que, manteniendo el estándar de tamaño y voltaje de las pilas de consumo, presentan ventajas frente a las pilas tradicionales.

Una de dichas tecnologías alternativas es la de las pilas de combustible. Las pilas de combustible aprovechan la transferencia de protones y electrones que intervienen en la reacción electroquímica de formación del agua (4H⁺ + O₂ + 4e^- rightarrow 2H₂O) para generar electricidad. Generalmente utiliza como combustible hidrógeno (bajo diversas formas) y como comburente oxígeno (tomado normalmente del aire). El único producto de residuo es agua.

Una pila de combustible generalmente consiste en un apilamiento ("stack") de celdas elementales, cada una de las cuales comprende un electrolito y dos electrodos, ánodo y cátodo. El electrolito separa el compartimento anódico, donde se produce la oxidación del combustible (normalmente la descomposición del hidrógeno en protones y electrones, estimulada por un catalizador), del compartimento catódico, donde tiene lugar la reducción del comburente (que en el caso del oxígeno resulta en la formación de agua). Para que se den estas reacciones, y se produzca electricidad, es necesario que el electrolito sea permeable a los protones pero no a los electrones. De este modo, los protones atraviesan el electrolito y los electrones circulan por un circuito exterior dispuesto entre el cátodo y el ánodo, generando una corriente eléctrica. En el ánodo, los protones, los electrones y el oxígeno se combinan produciendo agua.

Con frecuencia, las reacciones electroquímicas en una pila de combustible tienen lugar bajo condiciones de alta presión y temperatura, para mejorar su eficiencia. Evidentemente, en una pila de consumo no pueden darse estas condiciones, por lo que hay que diseñar la pila para que sea operativa en condiciones normales de presión y temperatura, sin alimentación forzada de gases ni gestión externa de la temperatura, lo que se denomina "de forma pasiva".

Una configuración de electrolito que puede ser adecuada para pilas de consumo es la membrana de intercambio de protones (PEM, "Proton Exchange Membrane"). En una celda de una pila de combustible PEM, el electrolito es una membrana polimérica que está revestida de una capa catalítica, que induce las reacciones electroquímicas y transfiere los iones generados. Dicha membrana constituye, junto con los electrodos, un MEA ("Membrane Electrode Assembly"). Habitualmente, los electrodos también actúan como difusores de gases, es decir, facilitan la difusión del hidrógeno y del oxígeno sobre la capa catalítica de la membrana.

El potencial teórico de la reacción electroquímica descrita es de 1,23 V, pero las resistencias internas y otros factores limitan este valor a alrededor de 0,7 V, por lo que en una pila de consumo hay que disponer dos MEAs o celdas en serie. En las pilas de combustible conocidas, dichas celdas suelen ser planas y apilarse una sobre otra, conectadas en serie. Pero las celdas planas, por ejemplo circulares, de las dimensiones transversales de una pila de consumo tienen un área demasiado pequeña para proporcionar la potencia deseada, por lo que hay que explorar otras configuraciones geométricas. Una disposición cilíndrica parece adecuada a la forma de la pila de consumo.

Son conocidas pilas de combustible con celdas cilíndricas, en las que los distintos elementos adoptan una forma cilíndrica o tubular. El propio solicitante, en su solicitud de patente nº P200401358, describe una pila de consumo con tecnología de pila de combustible que comprende dos unidades independientes y separables: una unidad generadora de electricidad (UGE) y una unidad portadora de combustible (UPC), las cuales forman una pila de combustible tubular pasiva (es decir, en la que los gases no se presurizan, humidifican ni calientan). La UGE está provista de un colector externo de corriente en forma de tubo y de dos MEAs tubulares concéntricos, de manera que la UPC proporciona hidrógeno gaseoso a los MEAs, siendo el comburente el oxígeno del aire.

Aunque ese documento presenta una pila de combustible viable como pila de consumo, no resuelve satisfactoriamente las dificultades que plantea la obtención de una potencia eléctrica de suficiente magnitud y duración.

Descripción de la invención

Un objetivo de la presente invención es el de proporcional una pila de consumo con tecnología de pila de combustible que sea práctica y económica.

Para ello, la unidad generadora de electricidad de la pila de combustible comprende un colector tubular interno de corriente, de manera que los componentes de la unidad generadora de electricidad están dispuestos entre el colector tubular externo y el colector tubular interno, y el colector interno aplica presión hacia el exterior sobre dichos componentes que están entre ambos colectores. Por tanto se proporciona un buen contacto tanto eléctrico como químico entre los componentes de la pila de combustible, además de un excelente sellado que evita la fuga del hidrógeno.

Ventajosamente, la unidad generadora de electricidad comprende dos celdas tubulares adyacentes generadoras de electricidad conectadas en serie. De este modo la pila de consumo presenta un voltaje de aproximadamente 1,5 V.

Preferiblemente, cada celda tubular comprende al menos una membrana de intercambio de protones, que a cada lado incorpora un catalizador y un difusor de gases.

En una realización, al menos una de las membranas de intercambio de protones se dobla hasta adoptar una configuración cilíndrica a partir de una forma inicial plana, y los extremos de al menos una celda tubular provista de una membrana plana doblada en cilindro son unidos y sellados para evitar la fuga de gases.

En una realización, al menos una de las membranas de intercambio de protones se fabrica en forma de tubo.

Ventajosamente, cada celda tubular comprende al menos dos juntas cilíndricas para sellar la celda y evitar la fuga de gases, que están dispuestas en el lado exterior y en el lado interior de la celda.

En una realización, las juntas cilíndricas se forman durante la fabricación de la celda a partir de un material fluido que solidifica sellando la celda e impidiendo la salida o entrada de gases.

En una realización, las juntas cilíndricas se forman durante la fabricación de la celda mediante el enrollamiento de una lámina de un material deformable.

En una realización, las juntas cilíndricas son piezas preformadas deformables que proporcionan el sellado de las celdas tras aplicarles presión.

La deformación de las juntas cilíndricas puede plástica o elástica.

En una realización, dos celdas tubulares adyacentes están dispuestas axialmente, es decir, son consecutivas. Entre el colector interno y el colector externo se puede disponer un colector intermedio, cuya forma es la de una malla tubular con dos diámetros que definen dos semitubos, de manera que una celda se sitúa en el interior del semitubo de mayor diámetro y la adyacente rodea el exterior del semitubo de menor diámetro. La estructura de malla permite un correcto contacto...

1. Pila de consumo que comprende una unidad generadora de electricidad (100) y una unidad portadora de combustible (200), las cuales forman una pila de combustible pasiva con formato tubular, estando la unidad generadora de electricidad provista de un colector tubular externo (130) de corriente, de manera que la unidad portadora de combustible proporciona un combustible gaseoso a la unidad generadora de electricidad, siendo el comburente el oxígeno del aire, caracterizada por el hecho de que la unidad generadora de electricidad comprende un colector tubular interno (140) de corriente, de manera que los componentes de la unidad generadora de electricidad (100) están dispuestos entre el colector tubular externo (130) y el colector tubular interno (140), y el colector interno aplica presión hacia el exterior sobre dichos componentes que hay entre ambos colectores.

2. Pila de consumo según la reivindicación 1, caracterizada por el hecho de que la unidad generadora de electricidad (100) comprende dos celdas tubulares adyacentes (110; 120) generadoras de electricidad conectadas en serie.

3. Pila de consumo según la reivindicación 2, caracterizada por el hecho de que cada celda tubular (110, 120) comprende al menos una membrana de intercambio de protones (115), que a cada lado incorpora un catalizador y un difusor de gases.

4. Pila de consumo según la reivindicación 3, caracterizada por el hecho de que al menos una de las membranas de intercambio de protones (115) se dobla hasta adoptar una configuración cilíndrica a partir de una forma inicial plana.

5. Pila de consumo según la reivindicación 4, caracterizada por el hecho de que los extremos de al menos una celda tubular provista de una membrana plana doblada en cilindro son unidos y sellados para evitar la fuga de gases.

6. Pila de consumo según la reivindicación 3, caracterizada por el hecho de que al menos una de las membranas de intercambio de protones se fabrica en forma de tubo.

7. Pila de consumo según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, caracterizada por el hecho de que cada celda tubular (110, 120) comprende al menos dos juntas cilíndricas (124, 126) para sellar la celda y evitar la fuga de gases, que están dispuestas en el lado exterior y en el lado interior de la celda.

8. Pila de consumo según la reivindicación 7, caracterizada por el hecho de que las juntas cilíndricas se forman durante la fabricación de la celda a partir de un material fluido que solidifica sellando la celda e impidiendo la salida o entrada de gases.

9. Pila de consumo según la reivindicación 7, caracterizada por el hecho de que las juntas cilíndricas se forman durante la fabricación de la celda mediante el enrollamiento de una lámina de un material deformable.

10. Pila de consumo según la reivindicación 7, caracterizada por el hecho de que las juntas cilíndricas son piezas preformadas deformables que proporcionan el sellado de las celdas tras aplicarles presión.

11. Pila de consumo según cualquiera de las reivindicaciones 9 ó 10, caracterizada por el hecho de que la deformación de las juntas es plástica.

12. Pila de consumo según la reivindicación 9 ó 10, caracterizada por el hecho de que la deformación de las juntas es elástica.

13. Pila de consumo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho de que dos celdas tubulares adyacentes (110; 120) están dispuestas axialmente, es decir, son consecutivas.

14. Pila de consumo según la reivindicación 13, caracterizada por el hecho de que entre el colector interno (140) y el colector externo (130) se dispone un colector intermedio (155), cuya forma es la de una malla tubular con dos diámetros que definen dos semitubos, de manera que una celda se sitúa en el interior del semitubo de mayor diámetro y la adyacente rodea el exterior del semitubo de menor diámetro.

15. Pila de consumo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizada por el hecho de que dos celdas tubulares adyacentes (110; 120) están dispuestas radialmente, es decir, son concéntricas.

16. Pila de consumo según la reivindicación 15, caracterizada por el hecho de que dichas dos celdas tubulares concéntricas son directas, es decir, tienen sus elementos dispuestos en el mismo orden en la dirección radial.

17. Pila de consumo según la reivindicación 16, caracterizada por el hecho de que el contacto eléctrico se establece por medio de un anillo bipolar dispuesto entre las dos celdas tubulares concéntricas.

18. Pila de consumo según la reivindicación 17, caracterizada por el hecho de que dicho anillo bipolar adopta la forma de un tubo corrugado en espiral 158, que además define unos canales para la circulación de oxígeno entre las dos celdas tubulares concéntricas.

19. Pila de consumo según la reivindicación 15, caracterizada por el hecho de que dichas dos celdas tubulares concéntricas son inversas, es decir, tienen sus elementos dispuestos en orden inverso en la dirección radial.

20. Pila de consumo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho de que la unidad generadora de combustible (100) es el polo positivo de la pila y la unidad portadora de combustible (200) es el polo negativo.

21. Pila de consumo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19, caracterizada por el hecho de que la unidad generadora de electricidad (100) es el polo negativo de la pila y la unidad portadora de combustible (200) es el polo positivo.

22. Pila de consumo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho de que la unidad generadora de electricidad y la unidad portadora de combustible son unidades independientes y separables.

23. Pila de consumo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 21, caracterizada por el hecho de que la unidad generadora de electricidad y la unidad portadora de combustible son unidades integrales y no separables.

24. Pila de consumo según la reivindicación 22, caracterizada por el hecho de que la unidad portadora de combustible es desechable tras su agotamiento.

25. Pila de consumo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho de que la unidad portadora de combustible es recargable.

26. Pila de consumo según la reivindicación 24 ó 25, caracterizada por el hecho de que la unidad portadora de combustible está configurada de manera tal que, al colocar la pila en su compartimento de uso, que estará provisto de un muelle, dicho muelle empujará la unidad portadora de combustible (200) hacia el interior de la unidad generadora de electricidad (100), lo cual provocará la apertura de una válvula de salida (210) del combustible gaseoso hacia la unidad generadora de electricidad.

27. Pila de consumo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho de que el combustible gaseoso es hidrógeno.

28. Pila de consumo según la reivindicación 27, caracterizada por el hecho de que la unidad portadora de combustible almacena el hidrógeno combinado en hidruros metálicos.

29. Pila de consumo según la reivindicación 27, caracterizada por el hecho de que la unidad portadora de combustible almacena el hidrógeno en nanofibras de carbón.

30. Pila de consumo según la reivindicación 27, caracterizada por el hecho de que la unidad portadora de combustible almacena el hidrógeno de forma química, en un compuesto que lo contenga.

31. Pila de consumo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho de que la unidad portadora de combustible (200) ocupa más de dos tercios del volumen que contiene el colector interno (140) de la unidad generadora de electricidad (100).