PILA DE COMBUSTIBLE.

Pila (4) de combustible con un espacio (2) de gas dispuesto entre dos elementos (10,

12) de placa, en la que uno de los elementos (10) de placa presenta elevaciones (14, 16, 18, 58, 60, 62) para soportar el elemento (10) de placa en el otro elemento (12) de placa en una estructura (24) reticular regular, entre las que discurre una red de canales (28, 30, 32, 52, 54, 56) de gas que atraviesan el espacio (2) de gas, en la que las elevaciones tienen como máximo una longitud que es tres veces la anchura, caracterizada porque las elevaciones (14, 16, 18, 58, 60, 62) entre ellas forman primeros canales (28, 30, 52, 54) de gas en una primera zona (B-F) del espacio (2) de gas, que comprende varias elevaciones (16, 18, 58, 60) y segundos canales (28, 32, 54, 56) de gas de gran volumen en una segunda zona (A-E) del espacio (2) de gas, que comprende varias elevaciones (14, 18, 60, 62).

La invención se refiere a una pila de combustible con un espacio de gas dispuesto entre dos elementos de placa, en la que uno de los elementos de placa presenta elevaciones para soportar el elemento de placa en el otro elemento de placa en una estructura reticular regular, entre las que discurre una red de los canales de gas que atraviesan el espacio de gas, en la que las elevaciones tienen como máximo una longitud que es tres veces la anchura.

En una pila de combustible, hidrógeno (H2) y oxígeno (O2) reaccionan en un electrolito cediendo calor para dar energía eléctrica y agua producto, que, junto con el agua de humidificación condensada, debe extraerse de la pila de combustible. Esto tiene lugar mediante eliminación por soplado del agua con gas de funcionamiento en exceso de la pila de combustible, alimentándose a la misma más gas de funcionamiento del que necesita para la reacción.

A la membrana activa y a los electrodos que la rodean de una pila de combustible de PEM (Proton Exchange Membrane o Polymer Elektrolyt Membrane (membrana de intercambio de protones o membrana de electrolito polimérico) se les debe proporcionar de manera uniforme tanto en el lado del ánodo como en el lado del cátodo gases de funcionamiento para obtener una actividad de la pila lo más uniforme posible por toda la superficie activa. En el caso de altas densidades de potencia, actividades localmente irregulares llevan a temperaturas localmente elevadas y posibles daños en la membrana y los electrodos.

La entrada y salida de ambos gases de funcionamiento en una pila de combustible se realiza mediante canales separados, cuya geometría y posición con respecto a las superficies activas no siempre puede configurarse de manera óptima por factores de construcción limitativos. Por tanto, en los dos espacios de gas de la pila de combustible se forman zonas a través de las que el flujo puede pasar correctamente y en las que la evacuación del agua se efectúa correctamente, y otras zonas, denominadas sombras de flujo, en las que el flujo sólo se produce débilmente y el agua no se evacua de manera satisfactoria. En casos desfavorables, por gotas de agua depositadas puede producirse un bloqueo de la función de la pila en tales sombras de flujo.

En pilas de combustible, que se hacen funcionar con gases de funcionamiento con porcentajes inertes, tales como gas reformador o aire, en las zonas por las que el flujo no pasa correctamente se forman capas de gas inerte, que en las mismas reducen localmente el rendimiento de los componentes activos. La pila de combustible se hace funcionar entonces con un gas que tiene una baja concentración en gas útil.

Para resolver este problema, el documento US 2004/0151970 A1 propone prever en lugar de un mayor espacio de gas una estructura de muchos canales de gas adyacentes, en forma de líneas de serpentín. Sin embargo, de este modo se genera una caída de presión de gas elevada en la pila de combustible.

Por el documento DE 103 00 068 A1 se conoce una pila de combustible en la que los espacios de gas están dotados de elementos de conducción de gas alargados. Éstos conducen los gases de funcionamiento desde una entrada de gas hasta una salida de gas de los espacios de gas de manera que fluyen a través de zonas por las que, de lo contrario, el flujo pasaría particularmente con dificultad.

Por el documento WO 03/081703 A2 se conoce ramificar los espacios de gas de manera fina para conseguir un flujo uniforme por la pila de combustible.

Un objetivo de la presente invención es indicar una pila de combustible en la que la unidad de membrana-electrolito pueda atravesarse por un flujo en exceso de gas de funcionamiento localmente en particular de manera uniforme.

Este objetivo se soluciona mediante una pila de combustible del tipo mencionado al principio, en la que las elevaciones forman entre las mismas primeros canales de gas en una primera zona del espacio de gas, que comprende varias elevaciones y segundos canales de gas de mayor volumen en una segunda zona del espacio de gas, que comprende varias elevaciones. Mediante la variación así obtenida de las secciones transversales de flujo de los canales de gas los flujos de gas pueden desviarse mediante diferentes resistencias al flujo de los canales de gas.

A este respecto la invención parte de la consideración de que una desviación del flujo a lo largo de barreras de flujo continuas en sus extremos o en particular sus recodos lleva a remolinos y turbulencias, que a su vez forman de nuevo sombras de flujo. Por tanto es más favorable una desviación del flujo mediante una pluralidad de elevaciones separadas entre sí y por las que el flujo pasa individualmente, ya que éstas pueden formar un flujo más uniforme.

Mediante la variación local de las elevaciones, el volumen total de canal de la segunda zona que atraviesa el flujo de gas de funcionamiento puede ser mayor que el volumen total de canal de la primera zona que atraviesa el flujo, por lo que puede obtenerse una menor resistencia al flujo. La segunda zona presenta por tanto un mayor volumen total de canal que la primera zona. En otra configuración, la segunda zona puede presentar una pluralidad de canales, que en cada caso pasan por varias elevaciones y cuyo volumen de canal en cada caso es mayor que el volumen de canal respectivo de los canales similares de la primera zona, que en particular son los canales de mayor volumen de la primera zona.

Mediante la configuración de la resistencia al flujo con ayuda del tamaño del volumen de canal o del volumen total de canal puede conseguirse una desviación del gas de funcionamiento en una dirección preferente, es decir, una dirección de flujo principal, en la que fluye la parte principal del gas de funcionamiento. A este respecto puede prescindirse de una barrera de flujo completa, a lo largo de la cual se conduce el gas de funcionamiento, de modo que de manera ventajosa el gas de funcionamiento puede fluir en ambas zonas siempre de cualquier punto a cualquier punto de la red de canales, es decir, por ejemplo en las dos direcciones de coordenadas de un modelo de flujo bidimensional.

Mediante la estructura reticular regular de las elevaciones puede conseguirse un flujo uniforme en una gran superficie. A este respecto, la estructura reticular está formada por una disposición bidimensional, que se repite regularmente, de las elevaciones, de modo que en ambas direcciones espaciales, por ejemplo en coordenadas cartesianas o polares, se da una sucesión regular de elevaciones. La estructura reticular ideal puede formarse a este respecto por los centros geométricos de las elevaciones.

En una configuración ventajosa de la invención, las elevaciones están realizadas de manera compacta y tienen como máximo una longitud que es tres veces la anchura, en particular sólo como máximo una longitud que es el doble de la anchura. De este modo puede tener lugar un flujo uniforme por las elevaciones a través de las zonas. Convenientemente, las elevaciones están conformadas simétricamente alrededor de un punto medio de elevación, por ejemplo de manera circular, ovalada, hexagonal o cuadrada. La simetría es en este caso de manera ventajosa bidimensional, de modo que las elevaciones tienen fundamentalmente la misma longitud que anchura. El flujo puede pasar por las elevaciones con pocos remolinos, en particular sin remolinos, cuando las elevaciones no tienen aristas transversalmente a los canales de gas.

Una desviación ventajosa de los flujos de gas en zonas deseadas del espacio de gas puede conseguirse cuando el espacio de gas presenta una entrada de gas y una salida de gas, siendo una resistencia al flujo desde la entrada de gas hasta la salida de gas a lo largo de los segundos canales de gas menor por trayecto como promedio que a través de los primeros canales de gas. Como resistencia al flujo ha de considerarse la resistencia al flujo del gas de funcionamiento, en particular medida a igual velocidad de flujo del gas de funcionamiento a través de los segundos así como los primeros canales de gas.

Convenientemente, el espacio de gas y la superficie activa de la pila de combustible por la que va a pasar un flujo en exceso del gas de funcionamiento en el mismo son rectangulares, por lo que la pila de combustible puede realizarse de manera compacta.

Si la primera zona es una zona interna y la segunda zona es una zona de borde del espacio de gas, entonces puede conseguirse una desviación preferida del flujo de gas hacia la zona de borde, de modo que se contrarresta la formación de una sombra de flujo... [Seguir leyendo]

1. Pila (4) de combustible con un espacio (2) de gas dispuesto entre dos elementos (10, 12) de placa, en la que uno de los elementos (10) de placa presenta elevaciones (14, 16, 18, 58, 60, 62) para soportar el elemento (10) de placa en el otro elemento (12) de placa en una estructura (24) reticular regular, entre las que discurre una red de canales (28, 30, 32, 52, 54, 56) de gas que atraviesan el espacio (2) de gas, en la que las elevaciones tienen como máximo una longitud que es tres veces la anchura, caracterizada porque las elevaciones (14, 16, 18, 58, 60, 62) entre ellas forman primeros canales (28, 30, 52, 54) de gas en una primera zona (B-F) del espacio (2) de gas, que comprende varias elevaciones (16, 18, 58, 60) y segundos canales (28, 32, 54, 56) de gas de gran volumen en una segunda zona (A-E) del espacio (2) de gas, que comprende varias elevaciones (14, 18, 60, 62).

2. Pila (4) de combustible según la reivindicación 1, caracterizada porque las elevaciones (14, 16, 18, 58, 60, 62) están conformadas simétricamente alrededor de un punto (26) medio de elevación.

3. Pila (4) de combustible según la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque el espacio (2) de gas presenta una entrada (6) de gas y una salida (8) de gas y una resistencia al flujo desde la entrada (6) de gas hasta la salida (8) de gas a lo largo de los segundos canales (28, 32, 54, 56) de gas es menor por trayecto como promedio que a través de los primeros canales (28, 30, 52, 54) de gas.

4. Pila (4) de combustible según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la primera zona (B-F) es una zona (20) interna y la segunda zona (A, B) es una zona (22, 68, 70) de borde del espacio (2) de gas.

5. Pila (4) de combustible según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el elemento (10) de placa con las elevaciones (14, 16, 18, 58, 60, 62) presenta dos zonas (68, 70) de borde opuestas entre sí y la primera zona (B-E) se extiende transversalmente a través del espacio (2) de gas desde una de las zonas (68) de borde hasta la zona (70) de borde opuesta.

6. Pila (4) de combustible según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque las zonas (A-F) están dispuestas una con respecto a otra de manera que las resistencias al flujo en las zonas (A-F) promueven un flujo en forma de Z a través del espacio (2) de gas, estando dispuesta una primera zona (B-F) entre segundas zonas (A-E) y formando la primera zona (B-F) un gradiente de resistencia al flujo transversal a una dirección de flujo del gas que fluye a través de los canales (28, 30, 32, 52, 54, 56) de gas desde una segunda zona (A-E) hasta la primera zona (BF) y continuando hasta la siguiente segunda zona (A-E).

7. Pila (4) de combustible según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la diferencia de los canales (28, 30, 32, 52, 54, 56) de gas en la primera y segunda zona (A-F) está formada por una variación del tamaño de las elevaciones (14, 16, 18, 58, 60, 62).

8. Pila (4) de combustible según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la diferencia de los canales (52, 54, 56) de gas en la primera y segunda zona (A-F) está formada por una variación de la forma de las elevaciones (58, 60, 62).

9. Pila (4) de combustible según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la diferencia de los canales (28, 30, 32, 52, 54, 56) de gas en la primera y segunda zona (A-F) está formada por una variación de la estructura (24) reticular de tal manera que varía el número de los canales (28, 30, 32, 52, 54, 56) de gas adyacentes por trayecto transversalmente a los canales (28, 30, 32, 52, 54, 56) de gas.

10. Pila (4) de combustible según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los ángulos (W1, W2) de inclinación de los canales (28, 30, 32, 52, 54, 56) de gas en la primera y segunda zona (A-F) son diferentes.