CONVERTIDOR ELECTROQUÍMICO COMPACTO.

Convertidor electroquímico (1) con membrana protónica comportando una pluralidad de células unitarias de conversión electroquímica (2a,

2b, 2c ...) conexionadas en serie, comportando un primer substrato (11, 15) que constituye la membrana protónica que presenta una primera cara (11a) sobre la que se han realizado una sucesión de primeros depósitos constituyendo una serie de ánodos espaciados (12a, 12b, 12c) y una segunda cara, sobre la que se han realizado una sucesión de segundos depósitos que constituyen una sucesión de cátodos espaciados (13a, 13b, 13c ...), dispuestos enfrentados con los referidos ánodos, constituyendo los referidos ánodos y cátodos una pluralidad de células unitarias de conversión (2a, 2b, 2c ...), comportando además unas pistas (14a, 14b, 14c ...) de conexión entre un cátodo de una célula unitaria y un ánodo de una célula unitaria adyacente, que atraviesa el primer substrato (11, 15) entre las expresadas células unitarias de conversión, caracterizado porque el primer substrato (11) se halla constituido por un material flexible y porque las pistas (14a, 14b, 14c ...) se hallan constituidas por unas bandas que forman capas de difusión gaseosa, constituidas por un segundo substrato polímero poroso metalizado para hacerlo conductor, que atraviesa el primer substrato por unas zonas transversales (4a, 4b ...) y que se hallan mantenidas en contacto con los electrodos constituidos por los ánodos y los cátodos sobre el primer substrato, constituyendo las referidas bandas los medios combinados de conexión entre las células unitarias y de difusión gaseosa, y siendo mantenidos en contacto, por presión, con los electrodos

Convertidor electroquímico compacto.

La presente invención hace referencia a un convertidor electroquímico del tipo de pila con combustible compacto.

Los convertidores electroquímicos del tipo de pila con combustible se hallan constituidos por unos dispositivos que combinan hidrógeno y oxígeno sin combustión para producir una corriente eléctrica siguiendo un procedimiento que funciona el revés que una electrólisis y que forma agua.

Un tipo de convertidor ya conocido se halla constituido por las pilas con membranas protónicas.

Las pilas de este tipo operan a bajas temperaturas, hasta los 100ºC, y comportan unos conjuntos de membranas electrodos y unas placas rígidas que comprimen los conjuntos de membranas electrodos, constituyendo las placas unas placas bipolares.

La concepción de una pila de combustible debe permitir la alimentación de la pila con carburante y carburante (típicamente hidrógeno y oxígeno), debe permitir el transporte y la evacuación del agua y de los gases inertes (nitrógeno y dióxido de carbono del aire) que se producen como residuos de la reacción, debe proporcionar unos electrodos para soportar el catalizador de la reacción y debe recoger las cargas eléctricas y disipar la energía térmica.

La conductividad eléctrica y térmica de los componentes, la presión de las materias que reaccionan, la temperatura, la superficie de los electrodos, la disponibilidad del catalizador, la gestión del agua y la geometría constituyen los principales factores que determinan las posibilidades y el rendimiento de una pila de combustible o convertidor electroquímico.

Las pilas de combustible actualmente conocidas, del tipo de pilas con membrana protónica (PEM) o a base de ácido fosfórico se basan en una concención que utiliza electrodos planos.

Un subconjunto membrana-electrodos se halla comprimido entre dos placas rígidas, constituyendo este conjunto un elemento de la pila.

Con objeto de obtener una determinada tensión eléctrica, se montan en serie varios elementos, apilándolos. En tal caso, las placas se denominan "placas dipolares" en el sentido de que estas placas constituyen la conexión eléctrica entre dos polos (un ánodo y un cátodo) de dos distintos elementos.

Con objeto de favorecer una distribución homogénea de los reactantes sobre la superficie de los indicados electrodos, se insertan unas capas de difusión gaseosa entre las placas dipolares y los electrodos.

La función de las placas dipolares es múltiple. Estas placas deben ser eléctricamente conductoras con objeto de permitir el desplazamiento de electrones desde el ánodo de un elemento hacia el cátodo del elemento adyacente, deben ser térmicamente conductores con objeto de disipar la energía térmica producida por la re acción química, deben ser impermeables a los reactantes (especialmente al hidrógeno), y deben hallarse provistas de canales que permitan la distribución de los gases reactantes obre los electrodos y de canales que permitan la circulación de un líquido de refrigeración si ello resulta necesario.

Por otra parte, las placas dipolares deben ser razonablemente rígidas con objeto de preservar la integridad del conjunto de la pilla, deben servir de armazón de la pila, y deben proporcionar un aporte suficientemente resistente para permitir la aplicación de las juntas de compresión, siendo al mismo tiempo suficientemente resistentes a la corrosión.

Como consecuencia de las indicadas exigencias, la mayoría de las placas bipolares se realizan a base de un grafito muy denso o de acero inoxidable. Como consecuencia de la complejidad de las formas de las placas bipolares, así como, en determinados casos, a causa de la elección de materiales, dichas placas representan una fracción importante del costo de una pila de combustible (hasta un 50%). Además, la elección de los materiales, así como su peso importante, determinan que las placas en cuestión representen una parte casi esencial del volumen de la pila.

Por otra parte, las geometrías de tipo apilamiento que se utilizan actualmente implican el empleo de numerosas juntas entre las placas y los conjuntos membrana-electrodo, determinando de esta manera que su acoplamiento resulte complejo y costoso.

Un ejemplo de convertidor electroquímico constitutivo de una pila con placas aparece descrito en el documento US 5 382 478.

En el expresado documento se describe un dispositivo que comprende un apilamiento de células electroquímicas y una sección de humidificación dispuesta por delante de la sección activa de la parte electroquímica del dispositivo.

Tal como se ha explicado anteriormente, un dispositivo tal como el que se describe en este documento resulta voluminoso y comporta especialmente unas placas dipolares pesadas y dotadas de unas formas complejas.

En el documento US 6063 517 se describe un dispositivo que puede ser arrollado en espiral para la realización de una pila de combustible provista de un ánodo, arrollado sobre sí mismo en espiral alrededor de un primer tubo de conducción de hidrógeno, de un segundo tubo, de conducción de hidrógeno, en la extremidad opuesta de la espiral, y de una membrana protónica que envuelve el ánodo y los tubos.

Una disposición de este tipo no permite realizar un convertidor electroquímico o pila de combustible compactos que suministren una tensión elevada, sin utilización de placas dipolares.

En el documento EP 1 333 517 A2 se describe un dispositivo en el que unas pistas conductoras según la tecnología de los semiconductores atraviesan una membrana protónica y se hallan conectadas a unas rejas de derivación debajo de los electrodos.

La presente invención tiene por objeto la realización de un convertidor electroquímico con membrana protónica perfeccionado que comporta una pluralidad de células de conversión electroquímicas unitarias conexionadas en serie y en el que las placas dipolares han sido sustituidas por una geometría especial del dispositivo, confiriendo una importante flexibilidad al convertidor.

Al indicado efecto, la presente invención se refiere principalmente a un convertidor electroquímico con membrana protónica que comporta una pluralidad de células electroquímicas conexionadas en serie, caracterizado porque comprende un primer substrato, bajo la forma de una banda contínua y unos segundos substratos bajo la forma de segmentos de banda, presentando el primer substrato una primera cara, sobre la que se han realizado una sucesión de primeros depósitos constituyendo una sucesión de ánodos espaciados, y una segunda cara, sobre la que se han realizado una sucesión de segundos depósitos constituyendo una sucesión de cátodos espaciados dispuestos frente a los indicados ánodos, constituyendo dichos ánodos y cátodos una sucesión de células unitarias de conversión, hallándose provisto el primer substrato de una sucesión de pasos transversales de los segundos substratos, y estando estos segundos substratos dimensionados en vistas a la realización de una pista de conexión entre un cátodo de una célula unitaria y un ánodo de una célula unitaria adyacente.

De acuerdo con la invención, la supresión de las placas bipolares permite obtener una importante disminución de masa y significa una notable simplificación de las pilas de combustible lo que, en particular, permite alcanzar un notable aumento de la densidad energética de la pila y, consecuentemente la realización potencia/masa de la misma.

La realización de pasos transversales y la utilización de segundos substratos que atraviesen el primer substrato para realizar unas pistas de conexión entre un cátodo y un ánodo de células adyacentes permite realizar un convertidor electroquímico que suministre una tensión importante con un reducido volumen.

Otras características y ventajas de la invención resultarán más fácilmente comprensibles a través de la descripción de un ejemplo no limitativo de realización de la invención, haciendo referencia a las figuras, en las que se ha representado:

- en la figura 1: una vista esquemática exterior de una pila de combustible de acuerdo con la invención;

- en la figura 2: una vista en perspectiva de un primer substrato para la realización de la pila que se ha representado en la figura 1;

- en las figuras 3A y 3B: sendas vistas, respectivamente, en despiece y lateral, de...

1. Convertidor electroquímico (1) con membrana protónica comportando una pluralidad de células unitarias de conversión electroquímica (2a, 2b, 2c ...) conexionadas en serie, comportando un primer substrato (11, 15) que constituye la membrana protónica que presenta una primera cara (11a) sobre la que se han realizado una sucesión de primeros depósitos constituyendo una serie de ánodos espaciados (12a, 12b, 12c) y una segunda cara, sobre la que se han realizado una sucesión de segundos depósitos que constituyen una sucesión de cátodos espaciados (13a, 13b, 13c ...), dispuestos enfrentados con los referidos ánodos, constituyendo los referidos ánodos y cátodos una pluralidad de células unitarias de conversión (2a, 2b, 2c ...), comportando además unas pistas (14a, 14b, 14c ...) de conexión entre un cátodo de una célula unitaria y un ánodo de una célula unitaria adyacente, que atraviesa el primer substrato (11, 15) entre las expresadas células unitarias de conversión, caracterizado porque el primer substrato (11) se halla constituido por un material flexible y porque las pistas (14a, 14b, 14c ...) se hallan constituidas por unas bandas que forman capas de difusión gaseosa, constituidas por un segundo substrato polímero poroso metalizado para hacerlo conductor, que atraviesa el primer substrato por unas zonas transversales (4a, 4b ...) y que se hallan mantenidas en contacto con los electrodos constituidos por los ánodos y los cátodos sobre el primer substrato, constituyendo las referidas bandas los medios combinados de conexión entre las células unitarias y de difusión gaseosa, y siendo mantenidos en contacto, por presión, con los electrodos.

2. Convertidor electroquímico según la reivindicación 1, caracterizado porque el primer substrato comporta una primera banda lateral (11), que soporta los depósitos, y una segunda banda lateral (15), libre de depósitos, que se repliega sobre un eje longitudinal (A) sobre la primera banda lateral (11) y se halla sellada sobre la primera banda lateral de manera que los ánodos (12a, 12b, 12c ...) queden encerrados en un conducto tubular que constituye un primer medio de canalización a lo largo del que circula el hidrógeno.

3. Convertidor electroquímico según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el primer substrato (11) se halla arrollado sobre sí mismo en espiral.

4. Convertidor electroquímico según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las zonas de paso transversal (4a, 4b ...) se han hecho estancas a los gases.

5. Convertidor electroquímico según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el primer substrato se halla constituido a base de un material termoplástico que presenta una estructura molecular que favorece el transporte de los iones H⁺.

6. Convertidor electroquímico según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque comporta unos segundos medios de canalización (5) dispuestos para canalizar un flujo de aire sobre la cara que comporta los cátodos, en una dirección perpendicular con respecto al eje longitudinal (A) de la banda contínua.

7. Convertidor electroquímico según la reivindicación 6, caracterizado porque los segundos medios de canalización (5) comportan un elemento de soporte provisto de canales (6) perpendiculares al eje longitudinal.

8. Convertidor electroquímico según las reivindicaciones 2 y 7, caracterizado porque el elemento de soporte constituye una cara exterior de la segunda banda (15).

9. Convertidor electroquímico según la reivindicación 3, caracterizado porque las bandas son mantenidas en contacto con los electrodos por medio de la presión ejercida por los diferentes estratos de la banda cuando ésta es arrollada sobre sí misma.