Pila de combustible constituida por un soporte poroso (12) sobre el que está dispuesta una pluralidad de celdas elementales (11,

11a, 11b), adyacentes, cada una de ellas comprende: - un montaje formado por un primer electrodo (13, 13a, 13b), de una membrana electrolítica (14, 14a, 14b) y de un segundo electrodo (15, 15a, 15b) - y por colectores de corriente primero y segundo (16, 16a, 16b y 17, 17a, 17b), estando dichas celdas elementales (11, 11a, 11b) conectadas en serie mediante elementos de conexión dispuestos entre dos celdas adyacentes (11a, 11b) para conectar el primer colector de corriente (16a) de una celda (11a) al segundo colector de corriente (17b) de la celda adyacente (11b), pila caracterizada porque: - el primer colector de corriente (16a) está constituido por una película de base delgada constituida por una matriz porosa eléctricamente aislante en la que se incorpora un material eléctricamente conductor y está colocado sobre el soporte poroso (12), - cada elemento de conexión está formado por una rama (20) constituida por dicho material eléctricamente conductor prolongando perpendicularmente la película de base delgada y unida al segundo colector de corriente (17b) de dicha celda adyacente (11b), estando dicha rama (20) en contacto con la membrana electrolítica (14, 14a, 14b) de dichos montajes, en todo el espesor de dicha membrana - y una zona (18a), constituida por un material poroso eléctricamente aislante y colocada sobre el soporte poroso (12), separa ambas películas delgadas de base de dos celdas adyacentes (11a, 11b), siendo el material poroso eléctricamente aislante de la zona (18a) idéntico al que constituye la matriz porosa de dichas películas delgadas de base

Pila de combustión constituida por una pluralidad de celdas elementales conectadas en serie mediante colectores de corriente.

Campo técnico de la invención

Esta invención se refiere a una pila de combustible constituida por un soporte poroso sobre el que está dispuesta una pluralidad de celdas elementales adyacentes, cada una de ellas comprende;

- un montaje, formado por un primer electrodo, una membrana electrolítica y un segundo electrodo

- y por colectores de corriente primero y segundo,

estando dichas celdas elementales conectadas en serie mediante elementos de conexión dispuestos entre dos celdas adyacentes para conectar el primer colector de corriente de una celda al segundo colector de corriente de la célula adyacente.

Esta invención se refiere igualmente a un procedimiento de fabricación de pila de combustible.

Estado de la técnica

La tensión suministrada por una pila de combustible unitaria, es decir, una pila de combustible constituida por una celda elemental constituida por un montaje Electrodo-Membrana-Electrodo (o montaje EME) con colectores de corriente asociados, no es, por lo general, suficiente para utilizar en el ámbito de los dispositivos portátiles. En efecto, algunas aplicaciones que podrían utilizar pilas de combustible como fuente de energía necesitan tensiones elevadas, por ejemplo, superiores a algunos voltios. Por ello, es necesario utilizar una pila de combustible constituida por una pluralidad de celdas elementales conectadas en serie, estando conectado el ánodo de una celda elemental al cátodo de la celda adyacente.

Habitualmente, las celdas elementales se fabrican por separado antes de asociarse en serie entre sí. En el caso de pilas de combustible conformadas como capas delgadas sobre un soporte plano (pilas denominadas igualmente como pilas planares), los conjuntos EME, por lo general, se realizan por separado sobre soportes planos, se recortan uno por uno, y posteriormente se asocian en serie entre sí. Un procedimiento de este tipo lleva tiempo, y necesita la adición de colectores de corriente, soldados o pegados, en los ánodos y cátodos de los montajes para permitir la puesta en serie de las celdas.

En el artículo "microfabricated fuel cells" (Electrochimica Acta 48 (2003) 2869-2877), J.S. Wainright y col. proponen una pila de combustible constituida por una pluralidad de celdas conectadas en serie, formadas sobre una película porosa de nilón dispuesta sobre alúmina en la que se han perforado canales. Los colectores de corriente anódicos se forman por depósito mediante impresión de una tinta. Adicionalmente, se colocan juntas aislantes de polímero no poroso entre los colectores de corriente anódicos, y a continuación se fabrica el resto de la pila. La puesta en serie de las pilas se lleva a cabo mediante la impresión de una tinta conductora. Sin embargo, con esta solución, las membranas electrolíticas se inflan y se despegan del sustrato en atmósfera húmeda (100% HR). Ahora bien, este despegado provocas fugas y la parada de la pila. La escasa resistencia mecánica de las membranas está relacionada por una parte con el mal contacto entre las juntas aislantes y los colectores anódicos, originando de esta forma huecos, y por otra parte con una mala adherencia de las membranas electrolíticas sobre las juntas aislantes.

La patente US5863672 describe una geometría de pila de combustible distinta que permite aumentar artificialmente la tensión elemental. Como se muestra en la figura 1, una pila 1 de ese tipo está constituida por varias celdas elementales 2 dispuestas unas al lado de las otras. Cada celda 2 contiene un montaje de un ánodo 3 y un cátodo 4 colocados entre una membrana electrolítica 5. Las celdas 2 están separadas entre sí por zonas eléctricamente aislantes 6 y están conectadas entre sí por piezas de conexión 7 eléctricamente conductoras. Cada una de las piezas de conexión 7 contiene una zona central 8 que tiene caras primera y segunda 8a y 8b respectivamente revestidas por capas primera y segunda 9 y 10 teniendo cada una un extremo en contacto respectivamente con el ánodo 4 de una primera pila y el cátodo 6 de la pila adyacente a la primera pila mencionada. Una pila de ese tipo y, en particular, las piezas de conexión 7 son difíciles de realizar, especialmente a pequeña escala. Necesita, igualmente, una etapa de ensamblaje del montaje de las celdas puestas en serie entre varios elementos diferentes, tales como conductores de corriente externos y placas distribuidoras de gas dispuestas a una \hbox{parte y otra de dicho montaje. Finalmente, persisten los problemas de estanqueidad.}

La solicitud de patente US 2006/0228605 propone otra solución. En esta solicitud de patente, se forma una membrana electrolítica por impregnación de un soporte poroso de un material conductor iónico. El soporte poroso es un tejido cuyas fibras de urdimbre son fibras continuas de material eléctricamente aislante y las fibras de trama son alternativamente fibras de material aislante y fibras de material eléctricamente conductor. Se deposita una junta en el borde del tejido, y los ánodos y los cátodos se depositan a ambas partes de la membrana así constituida. Igualmente, un colector de corriente se pone en contacto con el ánodo situado en uno de los extremos de la pila y otro colector de corriente se pone en contacto con el cátodo situado en el otro extremo de la pila. Las zonas eléctricamente activas del soporte poroso delimitan y aseguran, de esta forma, la conexión en serie de una pluralidad de celdas elementales.

Esta solución permite evitar las fugas de combustible ya que el soporte poroso está completamente impregnado de material conductor iónico. Sin embargo, la membrana así formada debe tener un espesor mínimo para asegurar la resistencia mecánica del montaje. Este espesor es de aproximadamente 20 micrómetros. Ahora bien, para aumentar las densidades de potencia, las membranas deben tener el menor espesor posible, preferentemente entre 1 y 10 micrómetros. Adicionalmente, las fibras utilizadas para conformar el soporte poroso ocupan un determinado volumen que perturba la difusión de los protones a través del electrolito. En efecto, la superficie de una zona eléctricamente conductora, por lo general superior a 2 mm, constituye una superficie no despreciable que no se puede utilizar para la difusión de los protones. Finalmente, las fibras aislantes y las fibras conductoras son respectivamente continuamente aislantes y continuamente conductoras, de \hbox{manera que la puesta en serie de las celdas solo se puede hacer en una sola alineación.}

El documento JP61121265 propone aumentar la tensión de salida de una pila de combustible sin aumentar su peso, conectando a un mismo nivel celdas elementales en serie. Cada celda elemental está constituida por un apilamiento formado por una primera capa delgada de difusión, permeable a gases y colocada del lado del combustible, una capa catalítica, una matriz a base de electrolito, una capa catalítica y una capa delgada de difusión, permeable a gases y colocada del lado del oxidante. Adicionalmente, la primera capa delgada de difusión de una celda elemental está conectada a la segunda capa delgada de difusión de una celda elemental adyacente por medio de un elemento de conexión, formado por el mismo material constituyente de las primera y segunda capas delgadas de difusión, pero que contiene, adicionalmente, partículas inorgánicas (por ejemplo partículas de fosfato de circonio), destinadas a convertir el elemento en estanco para gases. Adicionalmente, las primeras (o segundas) capas delgadas de difusión de dos celdas elementales adyacentes están separadas entre sí por una parte de la matriz a base de electrolito.

La solicitud de patente WO-A-2007/020242 describe un núcleo de pila que comprende al menos una membrana polimérica de material compuesto formada por una alternancia de primeros y segundos segmentos estancos para gases, que son respectivamente conductores iónicos y conductores electrónicos, una sucesión de ánodos y una sucesión de cátodos situados respectivamente sobre las caras primera y segunda opuestas de la membrana. Los segmentos estancos para gases, conductores electrónicos, conectan el ánodo de una celda con el cátodo de una celda adyacente. Pueden, adicionalmente, realizarse mediante la introducción de partículas electrónicamente conductoras en una matriz porosa, realizando posteriormente un tratamiento que permite reblandecer el polímero que constituye la matriz y de esta forma colmatar los poros de dicha matriz, volviendo de esta forma dichos segmentos... [Seguir leyendo]

1. Pila de combustible constituida por un soporte poroso (12) sobre el que está dispuesta una pluralidad de celdas elementales (11, 11a, 11b), adyacentes, cada una de ellas comprende:

- un montaje formado por un primer electrodo (13, 13a, 13b), de una membrana electrolítica (14, 14a, 14b) y de un segundo electrodo (15, 15a, 15b)

- y por colectores de corriente primero y segundo (16, 16a, 16b y 17, 17a, 17b), estando dichas celdas elementales (11, 11a, 11b) conectadas en serie mediante elementos de conexión dispuestos entre dos celdas adyacentes (11a, 11b) para conectar el primer colector de corriente (16a) de una celda (11a) al segundo colector de corriente (17b) de la celda adyacente (11b),

pila caracterizada porque:

- el primer colector de corriente (16a) está constituido por una película de base delgada constituida por una matriz porosa eléctricamente aislante en la que se incorpora un material eléctricamente conductor y está colocado sobre el soporte poroso (12),

- cada elemento de conexión está formado por una rama (20) constituida por dicho material eléctricamente conductor prolongando perpendicularmente la película de base delgada y unida al segundo colector de corriente (17b) de dicha celda adyacente (11b), estando dicha rama (20) en contacto con la membrana electrolítica (14, 14a, 14b) de dichos montajes, en todo el espesor de dicha membrana

- y una zona (18a), constituida por un material poroso eléctricamente aislante y colocada sobre el soporte poroso (12), separa ambas películas delgadas de base de dos celdas adyacentes (11a, 11b), siendo el material poroso eléctricamente aislante de la zona (18a) idéntico al que constituye la matriz porosa de dichas películas delgadas de base.

2. Pila de combustible según la reivindicación 1, caracterizada porque la pila está constituida por dos bornes conectados respectivamente a los colectores de corriente primero y segundo (16b y 17a) respectivos de las celdas elementales colocadas en los extremos de la pila.

3. Pila de combustible según una de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizada porque el material poroso eléctricamente aislante se selecciona entre materiales cerámicos, polímeros, silicio y carburo de silicio.

4. Pila de combustible según una cualquiera de las reivindicaciones 1 y 3, caracterizada porque el material eléctricamente conductor se escoge entre un metal, carbono, o un material que contenga partículas metálicas o nanotubos de carbono, y sus mezclas.

5. Pila de combustible según una cualquiera de las reivindicaciones 1 y 4, caracterizada porque las dos películas de base delgadas y dicha zona (18a) de material poroso eléctricamente aislante tienen el mismo espesor.

6. Procedimiento de fabricación de una pila de combustible según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque la formación de los conjuntos de celdas elementales (11a, 11b) y los segundos colectores de corriente (17a, 17b) de la pila va precedida de una etapa de formación de elementos de unión (19, 21) separadas entre sí por la zona (18, 18a), dicha etapa consiste en:

- formar, sobre el soporte poroso (12), los primeros colectores de corriente separados por la zona (18, 18a)

- y formar las ramas (20, 22) prolongando perpendicularmente dichas películas delgadas, estando formadas dichas ramas (20, 22) a partir del mismo material eléctricamente conductor.

7. Procedimiento de fabricación de una pila de combustible según la reivindicación 6, caracterizada porque las ramas (20, 22) se forman al mismo tiempo que los primeros colectores de corriente (16a, 16b).

8. Procedimiento de fabricación de una pila de combustible según la reivindicación 6, caracterizada porque las ramas (20, 22) se forman a continuación de los primeros colectores de corriente (16a, 16b).

9. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, caracterizado porque la formación de los primeros colectores de corriente (16a, 16b) consiste en:

- depositar, sobre el soporte poroso (12), una capa delgada de material poroso eléctricamente aislante (23)

- e incorporar selectivamente el material eléctricamente conductor en las partes predeterminadas de dicha capa delgada (23), constituyendo dichas partes los primeros colectores de corriente (16a, 16b).

10. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 6 y 7, caracterizado porque la formación de los primeros colectores de corriente (16a, 16b) consiste en:

- depositar, sobre el soporte poroso (12), una capa delgada de material poroso eléctricamente aislante (24) que incorpora dicho material eléctricamente conductor,

- y eliminar selectivamente dicho material eléctricamente conductor de las partes predeterminadas de dicha capa delgada (24), constituyendo dichas partes las zonas (18, 18a) que separan los primeros colectores de corriente (16a, 16b).

11. Procedimiento según la reivindicación 10, caracterizado porque como el material eléctricamente está basado en carbono, la eliminación selectiva de dicho material se realiza por calentamiento local de dichas partes predeterminadas.