Placa bipolar para distribución homogénea del flujo en pilas de combustible.

Placa bipolar para distribución de flujo de reactivos sobre las capas difusoras de una pila de combustible, con una geometría en cascada (Figura 1) específicamente diseñada para que esta distribución sea extremadamente homogénea sobre la capa catalítica. El dispositivo permite que el flujo en la placa presente un campo de velocidades y presiones de elevada uniformidad, gracias al novedoso diseño en el que el canal de entrada se ramifica en cascada mediante nervios, constituidos por obstáculos en general de mayor anchura que su espesor (Figura 2), separados entre sí por una distancia adecuada, invirtiéndose el proceso de ramificación desde la sección de mayor área de la placa, confluyendo las distintas secciones de paso para dar lugar a un único conducto de salida

Placa bipolar para distribución homogénea del flujo en pilas de combustible.

Sector de la técnica

Sectores energético y eléctrico. Placas bipolares para pilas de combustible con aplicaciones en instalaciones domésticas y la industria de la automoción, entre otros.

Estado de la técnica

La creciente escasez de combustibles fósiles junto con las recientes y estrictas limitaciones en las emisiones de gases de efecto invernadero impuestas por los compromisos internacionales vigentes, está obligando a buscar métodos de producción de energía alternativos a la combustión. Como es bien sabido, una posibilidad interesante dentro de este escenario energético es el uso de pilas de combustible. Las pilas de combustible, propuestas por primera vez por Sir William R. Grove en 1839, son dispositivos capaces de generar electricidad a partir de reacciones químicas. Su principio de funcionamiento se basa en la descomposición del combustible en el ánodo, gracias a la presencia de un catalizador, en electrones y iones. Una capa electrolítica separa el ánodo del cátodo, y permite únicamente el paso de los iones a través de ella, impidiendo que los electrones puedan atravesarla. Cuando la corriente electrónica se hace circular por el exterior de la pila, el dispositivo actúa como generador de electricidad. Finalmente, electrones y iones se recombinan en el cátodo. Cuando el combustible sea hidrógeno y el agente oxidante sea oxígeno, la reacción que se produce en el cátodo es la recombinación del oxígeno, protones y electrones, con lo que los únicos productos de la reacción son agua y calor. Dentro de las ventajas de las pilas de combustible destacan su bajo nivel de contaminación ambiental, su alta eficiencia y su bajo nivel de ruido. Un tipo de pila muy útil para aplicaciones portátiles (ordenadores portátiles, teléfonos móviles, etc.) y el transporte automotor, ya que tiene un tamaño reducido y trabaja a bajas temperaturas, es el caracterizado por tener una membrana de intercambio de protones como electrolito. Son las pilas denominadas como de tipo PEM, según las siglas provenientes del idioma inglés.

En una pila tipo PEM, el combustible (hidrógeno o metanol) y el oxígeno reaccionan electro-químicamente produciendo energía eléctrica y calor, y agua como único subproducto resultante. Para que esta transformación tenga lugar se requiere la concurrencia de una serie de procesos fluidodinámicos fuertemente acoplados como la dinámica del flujo bifásico, y las transferencias de calor y masa, los cuales influyen en el funcionamiento de la pila. Resulta obvio que la optimización del funcionamiento de una pila PEM es un estudio complejo que requiere un conocimiento profundo del comportamiento de la distribución de corriente en la pila en función del diseño de los diferentes elementos de que se compone la misma y las condiciones de operación. Con este objetivo, desde finales de la década de los años 90, se ha desarrollado una gran cantidad de trabajos, tanto mediante simulaciones numéricas [Gurau, V., Liu, H., Kakaç, S., Two-dimensional model for proton exchange membrane fuel cells, AIChE Journal, vol. 44 (11): 2410-2422, 1998; Costamagna, P., Transport phenomena in polymeric membrane fuel cells, Chemical Engineering Science, vol. 56: 323-332, 2001; Wang, L., Husar, A., Zhou, T., Liu,H., A parametric study of PEMFC performance, Int. J. of Hydrogen Energy, vol. 28: 1263-1272, 2003] como experimentales [Geiger, A.B., Tsukada, A., Lehmann, E., Vontobel, P., Scherer, G.G., In situ investigation of two-phase flow patterns in flow fields of PEFC's using neutron radiography, Fuel Cells, vol. 2 (2): 92-98, 2002; Bender, G., Wilson, M.S., Zawodzinski, T.A., Further refinements in the segmented cell approach to diagnosing performance in polymer electrolyte fuel cells, J. of Power Science, vol. 123: 163-171, 2003; Tüber, K., Pócza, D., Hebling, Ch., Visualization of water buildup in the cathode of a transparent pem fuel cell, J. of Power Science, vol. 124 (2): 403-414, 2003; Mench, M.M., Dong, Q.L., Wang, C.Y., In situ water distribution measurements in a polymer electrolyte fuel cell, J. of Power Science, vol. 124 (1): 90-98, 2003], destacando el esfuerzo que se ha realizado para entender la influencia del flujo de agua en el transporte de masa de la pila y su producción de energía eléctrica.

Un elemento importante de las pilas de membrana de intercambio de protones es la placa bipolar, que distribuye el flujo de combustible y oxidante sobre el catalizador, proporciona rigidez al conjunto de la pila, y puede actuar como vía de salida de la corriente generada y disipar parte del calor producido. Los fluidos que circulan por las placas bipolares reaccionan en los electrodos con catalizador, después de atravesar una capa difusora, generalmente formada por papel de carbón o tela carbonosa. Se comprende que para que la pila funcione de forma eficiente, la distribución de gases sobre la capa catalítica debe de ser lo más homogénea posible. Es de esperar que si el campo de velocidades (y lo mismo se puede decir del de presiones) no es uniforme y se producen estancamientos o zonas muertas, la pila no funcionará adecuadamente, y su rendimiento se verá sensiblemente reducido. De ahí la importancia del diseño de la geometría de flujo de las placas bipolares.

Durante la última década se han ensayado geometrías muy variadas (de puntos cuadrados, interdigitadas, de serpentín, espirales, en bloques serpentín-paralelo, etc.), e incluso se ha probado el uso de placas porosas. Un estudio comparativo de diversas tipologías con sus ventajas e inconvenientes puede encontrarse en varios artículos de revisión [Carrette, L., Friedrich, K.A., Stimming, U., Fuel cells-fundamentals and applications, Fuel Cells, 1 (1), 5-39, 2001]. Recientemente se han realizado estudios mediante simulaciones numéricas de la interacción de la capa difusora y el flujo circulando por una placa bipolar de canal serpenteante [Dohle, H., Jung, R., Kimiaie, N., Mergel, J., Müller, M., Interaction between the diffusion layer and the flow field of polymer electrolyte fuel cells - experiments and numerical simulations, J. of Power Source, 124 (2), 371-384, 2003], y se ha concluido que, en efecto, la distribución no era homogénea. También recientemente, se ha estudiado numérica y experimentalmente [Barreras, F., Lozano, A., Valiño, L., Marín, C., Pascau, A., Flow distribution in a bipolar plate of a proton exchange membrane fuel cell: experiments and numerical simulation studies, J of Power Sources, 144, 54-66, 2005] la estructura del flujo en el interior de una placa bipolar comercial sin difusión. Dada la complejidad del problema en cuestión, normalmente el campo fluido se obtiene a través de estudios que no consideran la difusión de los gases a través de la capa difusora porosa. Sin embargo, los resultados que se obtengan a través de estos estudios pueden no ser suficientes para asegurar el buen diseño de la geometria de flujo de la placa bipolar. En particular, una geometria que genere un perfil de velocidades aparentemente homogéneo, pero que introduzca unas caídas de presiones muy grandes en el flujo circulante (como es el caso de las geometrías de serpentín simple o serpentín-paralelo) puede dar lugar a una difusión no homogénea y, consecuentemente, a una mala distribución de gases sobre el catalizador.

Por todos estos motivos, los ingenieros e investigadores han ensayado muchos diseños particulares de geometrías de flujo para las placas bipolares, y han analizado cuidadosamente los mejores materiales para su construcción y los diversos procesos posibles para su fabricación. Diversas patentes describen materiales adecuados como u constituyentes de las placas: metales [Douglas, D.L., Cairns, E.J., Fuel battery, US Pattent 3.134.696, May 26, 1964], óxidos metálicos [May, B., Hodgson, D.R., Bipolar plate for fuel cells, International Patent WO 00/22689, April 20, 2000], compuestos de carbono/polímero [Lawrence R.J., Low cost bipolar current collector-separator for electrochemical cells, US Patent 4.214.969, July 29, 1980], grafito [Wilkinson, D.P., Lamont, G.J., Voss, H.H., Schwab, C., Embossed flow field plate for electrochemical fuel cells, International Patent WO 95/16287, June 15, 1995]. Otras patentes reclaman diseños específicos: canales en paralelo o serpentín [Tawfik, H., Hung, Y., Bipolar plate for electrolyte application, International Patent WO 2006/029318 A2, March 16, 2006], dispositivos con canales en ambas caras [Hanlon, G.A., Henderson, G., Electrochemical cell bipolar plate, US Patent US 2006/0068265 A1, March 30, 2006], diseños con líneas paralelas de obstáculos preferentemente...

1. Placa bipolar con geometría de flujo en cascada, que permite la distribución de flujo de fluidos reactantes sobre las capas difusoras o electrodos de una pila de combustible, preferentemente de tipo PEM, en adelante placa bipolar de la invención, y que comprende:

2. Placa bipolar según reivindicación 1 caracterizada porque la geometría transversal de su área activa es cuadrada o rectangular y porque los conductos de entrada y salida están situados en las diagonales opuestas coincidiendo sobre una misma línea.

3. Placa bipolar según reivindicación 1 caracterizada porque la geometría de su área activa es de perímetro curvo, preferentemente redonda o elíptica, y porque los conductos de entrada y salida se sitúan perpendicularmente a los nervios.

4. Placa bipolar según reivindicaciones 1 a 3 caracterizada porque en el caso de utilizarse en los ánodos que empleen metanol directo como combustible, el canal superior (6) que circunda el área de flujo y situado horizontalmente con respecto al conducto de entrada, tiene unos pequeños orificios para la evacuación de gases (9) comunicados con un colector adicional (10) que tendrá una válvula para el venteo de gases (11) con control de presión para evacuar el CO₂ generado por reacción.

5. Placa bipolar según reivindicaciones 1 a 4 caracterizada porque toda el área de flujo estará rotada un ángulo cualquiera (a), preferentemente entre 5-25°, respecto de los bordes externos de la placa, de modo que los nervios que definen los canales de paso formarán un ángulo (45-a)° respecto del borde horizontal, y en la que el metanol entrará a la placa por el orificio inferior (3) y saldrá por el superior (5) de forma que arrastre las burbujas de CO₂ depositadas por flotación en el canal superior (6), facilitando así la extracción del flujo bifásico.

6. Placa bipolar según reivindicaciones 1 a 3 caracterizada porque en el caso de emplearse en los cátodos, el canal inferior (7) actúa como colector donde migrarán, debido a la diferencia de densidades, las gotas de agua generadas por reacción química y que serán extraídas a través de una serie de canales (12), al ser arrastradas por el flujo de aire de aire o de O₂.

7. Placa bipolar según reivindicaciones 1, 2, 3 y 6 caracterizado porque toda el área de flujo estará rotada un ángulo cualquiera (ß), preferentemente entre 5-25°, respecto de los bordes externos de la placa, de modo que los nervios que definen los canales de paso formarán un ángulo (45-ß)° respecto del borde horizontal, y en la que el gas entrará a la placa por el orificio superior (3) y saldrá por el inferior de modo que el agua formada tenderá a acudir al punto más bajo (5), facilitando la extracción del flujo bifásico a través del mismo.

8. Placa bipolar según reivindicaciones 1 a 7 caracterizada porque cuando se agrupan para formar un stack, tendrá geometrías de flujo en ambas caras, una para el cátodo de una de las monoceldas y otra para el ánodo de la siguiente.

9. Placa bipolar según reivindicaciones 1 a 8 caracterizada porque las hileras de obstáculos de una cara están orientadas perpendicularmente a las de la cara opuesta y, con los orificios de entrada y salida correspondientes situados en cada cara en la diagonal perpendicular a los nervios.

10. Placa bipolar según reivindicaciones 1 a 9 caracterizada porque los fluidos reactantes se suministran de forma centralizada a través de un colector único a todas las placas bipolares de las distintas monoceldas.

11. Placa bipolar según reivindicaciones 1 a 10 caracterizada porque los conductos de entrada y salida tienen un ángulo cualquiera (?), preferentemente entre 5-40° respecto del plano que contiene a la superficie activa de la placa que dependerá de la profundidad de los nervios, de forma que el diámetro de los conductos dentro del área activa (5, 6) sea igual o inferior a la profundidad de los canales.

12. Placa bipolar según reivindicaciones 1 a 11 caracterizada porque cuando sean placas terminales tendrán geometrías de flujo en una sola de las caras, sirviendo de ánodo o cátodo respectivamente, de forma similar a las que se emplean en monoceldas.

13. Placa bipolar según reivindicaciones 1 a 12 caracterizada por tener canales en el plano central paralelo a las caras de la geometría de flujo, por donde circulará un fluido, el cual se empleará como método de refrigeración del sistema ayudando a la extracción del calor.

14. Placa bipolar según reivindicaciones 1 a 13 caracterizada porque comprende una válvula de control para poder trabajar en régimen intermitente de apertura y cierre.

15. Uso de la placa bipolar según reivindicaciones 1 a 14 para la fabricación de una pila de combustible, preferentemente una pila PEM, y también, pilas de óxido sólido planas y alcalinas.