PLACA BIPOLAR PARA UNA CELDA DE COMBUSTIBLE QUE COMPRENDE UNA TRAYECTORIA DE FLUJO DE SERPENTINA DE DERIVACIÓN PARA GAS OXIDANTE; UNA PLACA DE REFRIGERACIÓN PARA UNA CELDA DE COMBUSTIBLE QUE COMPRENDE UNA TRAYECTORIA DE FLUJO DE SERPENTINA DE DERIVACIÓN PARA FLUIDO REFRIGERANTE; CELDA DE COMBUSTIBLE QUE COMPRENDE DICHAS PLACAS Y USOS DE LAS MISMAS.

Celda de combustible con una placa de refrigeración (10) que tiene un lado de refrigeración para proporcionar un flujo de un fluido refrigerante;

- dicho lado de refrigeración tiene canales de flujo para fluido refrigerante; dichos canales de flujo para fluido refrigerante comprenden una o más ranuras (12), cada una representando una trayectoria de serpentina (14), en la que - cada trayectoria de serpentina de forma independiente comprende N patas consecutivas L1, L2, ... LN, conectadas entre sí mediante N-1 secciones en curva consecutivas, T1, T2, ... TN-1, en la que - cada pata L1, L2, ... LN-1 está separada a lo largo de su pata consecutiva L2, L3, ... LN mediante una sección de pared, W1, W2, ... WN-1, en la que - cada sección en curva representa un cambio de dirección del flujo del fluido refrigerante; - una o varias secciones de pared W1, W2, ... WN-1 de forma independiente comprenden uno o más canales de derivación para permitir que el fluido refrigerante fluya a través de un acceso directo de una pata Lx a su pata consecutiva Lx+1, 1≤ x ≤ N-1, desviándose así de una parte de la pata Lx y de una parte de la pata Lx+1, - los canales de derivación están libres de obstrucciones y N es un número entero impar de tres o más, caracterizada porque la celda de combustible es una celda de combustible de alta temperatura

Campo de la invención

La presente invención se refiere a una placa bipolar para una celda de combustible y a una placa de refrigeración para una celda de combustible. Además, la presente invención se refiere al uso de dichas placas para el suministro de oxígeno a un lado de cátodo y/o para refrigerar un lado de cátodo de una celda de combustible. La presente invención también se refiere a un procedimiento para la fabricación de esta placa bipolar o placa de refrigeración, así como una pila de celda de combustible que comprende dicha placa bipolar y/o placa de refrigeración. Finalmente, la presente invención se refiere a un procedimiento para producir energía eléctrica usando esta pila de celdas de combustible y usos de esta pila de celda de combustible como sistema de energía de seguridad o como un sistema de generación de energía continua.

Antecedentes de la invención

La presente invención se refiere a una placa bipolar para una celda de combustible y a una placa de refrigeración para una celda de combustible. La placa bipolar de la celda de combustible de acuerdo con la presente invención tiene un lado de cátodo y un lado de ánodo, en la que el lado de cátodo comprende uno o más canales de flujo en forma de ranuras de serpentina que comprende canales de derivación. En analogía aquí, la placa de refrigeración según la presente invención comprende un lado de refrigeración, en la que el lado de refrigeración comprende uno o más canales de flujo en forma de ranuras de serpentina que comprenden canales de derivación. La placa bipolar y la placa de refrigeración de acuerdo con la presente invención son particularmente útiles en el tipo de pilas de celdas de combustible, en el que se utiliza gas oxidante como gas reactivo para el funcionamiento de las celdas de combustible. Estas celdas de combustible comprenden, entre otros, celdas de combustible PEM y celdas de combustible SOFC.

Las celdas de combustible son dispositivos que proporcionan una conversión limpia y relativamente eficiente de la materia en energía eléctrica y calor. Una gama de diferentes tecnologías se ha desarrollado en el último par de décadas, cada uno empleando su propio principio, tipo de reactivos, condiciones de funcionamiento óptimo, etc. Una tecnología que ha ganado particular interés en los últimos años es la celda de combustible denominada PEM (membrana de intercambio de protones). Otra tecnología que ha ganado particular interés en los últimos años es la celda de combustible de alta temperatura llamada SOFC (celda de combustible de óxido sólido). Los antecedentes de la presente invención se explicarán ahora en relación a una celda de combustible PEM.

Una celda de combustible PEM (membrana de intercambio de protones) comprende un ánodo y un cátodo y una membrana de intercambio de protones interpuesta entre los mismos. La membrana de intercambio de protones comprende un catalizador en el lado encarado con el ánodo, así como en el lado encarado con el cátodo. El principio de una celda de combustible PEM es que el suministro de hidrógeno al lado de la membrana encarada con el ánodo en virtud del catalizador en el lado de la membrana encarada con el ánodo resulta en la reacción química:

(1) Reacción del ánodo: H2 ->2H+ +2e

El ánodo está hecho de un material eléctricamente conductor y, por lo tanto, transporta los electrones generados en el lado del ánodo de la membrana, mientras que los protones generados en el lado del ánodo de la membrana PEM se difunden a través de la membrana.

En el lado del cátodo de la membrana se suministra oxígeno (o aire). Si una carga eléctrica está conectada entre el cátodo y el ánodo de la celda para formar un circuito eléctrico, los electrones generados en el ánodo fluyen a través de esta carga al cátodo. El oxígeno suministrado al lado del cátodo de la membrana en virtud del catalizador en el lado de la membrana encarada con el cátodo reacciona con los protones que se han difundido a través de la membrana y los electrones que fluyen hacia el cátodo de acuerdo con la ecuación química siguiente:

(2) reacción del cátodo: O2 + 4 H+ + 4 e-->2H2O + calor

Por lo tanto, la reacción neta que tiene lugar en una celda de combustible PEM es la siguiente:

(3)2H2 + O2 ->2H2O + energía eléctrica + calor

Una sola celda es capaz de generar una tensión de típicamente 0,5-1V. Con el fin de lograr una mayor tensión para las celdas de combustible, una pluralidad de celdas individuales suelen estar conectadas en serie en una llamada pila de celdas de combustible. Una pila de celdas de combustible, a menudo por motivos de economía, está diseñada de una manera que integra el cátodo de una celda de combustible con el ánodo de una celda de combustible adyacente de la pila correspondiente. Esto se logra mediante el empleo de las llamadas placas bipolares. Una placa bipolar es una placa que tiene dos lados, uno de los cuales funciona como un ánodo de una celda de combustible, y el otro funciona como un cátodo para la celda de combustible adyacente en la pila de celdas de combustible correspondiente.

Para que una placa bipolar sea eficiente, debe asegurar que un suministro constante de gas oxidante se suministra al lado del cátodo de la membrana y, por lo tanto, también al lado del cátodo de la placa bipolar. Además, debe asegurar que el gas oxidante suministrado al lado del cátodo de la placa bipolar se distribuye bien sobre la superficie del cátodo de la placa bipolar. Esto, a su vez, requiere que el gas oxidante se suministre a una alta presión relativa desde una fuente externa, tal como el aire ambiente y al colector de entrada que conecta el lado del cátodo de cada placa bipolar de la pila de celdas de combustible a la fuente de oxidante.

En base de las consideraciones anteriores, mucha investigación y desarrollo de pilas de combustible PEM se ha focalizado en los últimos años en el diseño físico específico de la celda de combustible y, en particular, en el diseño físico de las placas bipolares.

Debido al calor generado en el cátodo de una celda de combustible, se necesitan medios de refrigeración para refrigerar la parte del cátodo de la celda de combustible. En algunos diseños de celdas de combustible, el lado del cátodo de la placa bipolar proporciona el suministro de gas oxidante a la celda de combustible, así como la refrigeración del lado del cátodo de la celda de combustible, en virtud de suministrar más gas oxidante al lado del cátodo del que realmente se necesita en relación a la cantidad estequiométrica de hidrógeno que se suministra y se “consume” en el lado del ánodo de la placa bipolar de la celda de combustible. Otros diseños comprenden diferentes placas de refrigeración que no son parte integrante de la placa bipolar de la celda de combustible.

La solicitud de patente francesa FR 2891090 divulga una celda de combustible con placas bipolares que tiene trayectorias de serpentina de su lado. Con el fin de presionar fluido a través de estos canales, se utiliza un consumo de energía relativamente alto para presionar el gas a través de los canales, lo cual es desventajoso.

El documento de patente japonesa JP 2003 100319 de Kino Yoshitaki transferido a Toyota Motor Company describe una celda de combustible para funcionamiento a baja temperatura. El gas está enriquecido con humedad con el fin de evitar condiciones demasiado secas para la membrana. La necesidad de humedad implica una temperatura por debajo del punto de ebullición. Sin embargo, hay un cierto riesgo de que los canales de fluido de refrigeración se bloqueen con gotas de la humedad. Para esta región, se prevén canales de derivación con una resina que se hincha al aumentar el grado de humedad. Cuando aumenta el grado de humedad, los canales de derivación están bloqueados, y la velocidad de flujo aumenta en el canal restante, lo que reduce el riesgo de formación de gotas y el consiguiente bloqueo del canal. El inconveniente de este sistema es el consumo relativamente alto de energía utilizada para presionar el gas a través de los canales a alta velocidad. Estos canales de derivación llenos de resina no se utilizan para las celdas de combustible de alta temperatura, donde el gas es seco y donde la absorción de la humedad no es necesaria.

Canales de derivación para prevenir la condensación, o al menos minimizar el riesgo de reducción del flujo por condensación en celdas de combustible de baja temperatura también se divulgan en las solicitudes... [Seguir leyendo]

1. Celda de combustible con una placa de refrigeración (10) que tiene un lado de refrigeración para proporcionar un flujo de un fluido refrigerante;

- dicho lado de refrigeración tiene canales de flujo para fluido refrigerante; dichos canales de flujo para fluido refrigerante comprenden una o más ranuras (12), cada una representando una trayectoria de serpentina (14), en la que

- cada trayectoria de serpentina de forma independiente comprende N patas consecutivas L1, L2, ... LN, conectadas entre sí mediante N-1 secciones en curva consecutivas, T1, T2, ... TN-1, en la que

- cada pata L1, L2, ... LN-1 está separada a lo largo de su pata consecutiva L2, L3, ... LN mediante una sección de pared, W1, W2, ... WN-1, en la que

- cada sección en curva representa un cambio de dirección del flujo del fluido refrigerante;

- una o varias secciones de pared W1, W2, ... WN-1 de forma independiente comprenden uno o más canales de derivación para permitir que el fluido refrigerante fluya a través de un acceso directo de una pata Lx a su pata consecutiva Lx+1, 1≤ x ≤ N-1, desviándose así de una parte de la pata Lx y de una parte de la pata Lx+1,

- los canales de derivación están libres de obstrucciones y N es un número entero impar de tres o más,

caracterizada porque la celda de combustible es una celda de combustible de alta temperatura.

2. Celda de combustible según la reivindicación 1, en la que el cambio de dirección de flujo es una curva de 180º.

3. Celda de combustible según la reivindicación 1 ó 2, en la que el lado de refrigeración comprende de 5 a 20 trayectorias de serpentina (14), tal como 6 a 18 trayectorias de serpentina, por ejemplo, 8 a 16 trayectorias de serpentina, tal como 9 a 15 trayectorias de serpentina, por ejemplo 10 a 14 trayectorias de serpentina, por ejemplo, 11, 12 ó 13 trayectorias serpentina.

4. Celda de combustible según cualquier reivindicación anterior, en la que una o varias de las secciones de pared W1, W2, ... WN-1 cada una independientemente comprende 1 a 15 canales de derivación, tal como 2 a 14 por canales de derivación, tal como 3 a 13 canales de derivación, por ejemplo, 4 a 12 canales de derivación, tal como 5 a 11 canales de derivación, por ejemplo, 6 a 10 canales de derivación, por ejemplo, 7, 8 ó 9 canales de derivación.

5. Celda de combustible según cualquier reivindicación anterior, en la que uno o más de los canales de derivación de la sección de pared, Wx, está situado en la parte media corriente abajo de la pata asociada Lx desviándose de una parte de la sección corriente abajo de la pata Lx y una parte de la sección anterior solamente de la pata Lx+1, en la que no se prevén canales de derivación entre la parte media anterior de la pata Lx y la parte media corriente abajo de la sección de Lx+1.

6. Celda de combustible según cualquier reivindicación anterior, en la que una o más de las secciones en curva representa un cambio de 180º en la dirección del flujo en forma de una ranura de tipo arco de 180º, tal como una ranura que tiene una forma de medio círculo.

7. Celda de combustible según cualquier reivindicación anterior, en la que una o más de las secciones en curva representa dos cambios esencialmente de 90º (20) en la dirección del flujo, cada uno separado por una sección en curva de pata esencialmente recta TL, para representar colectivamente un cambio de dirección del flujo de 180º.

8. Celda de combustible según la reivindicación 7, en la que a su vez la sección en curva de la pata TL tiene una longitud de no mayor del 20% de la longitud de cualquiera de las patas L1, L2, ... LN-1.

9. Celda de combustible según cualquier reivindicación anterior, en la que cada trayectoria de serpentina tiene 3 patas L1, L2 y L3, 2 secciones de pared, W1, W2 y dos secciones en curva, T1 y T2.

10. Celda de combustible según la reivindicación 9, en la que la primera sección de pared W1 comprende canales de derivación situados en la parte media corriente abajo de L1 y en la que la segunda sección de pared W2 comprende canales de derivación situados en la parte media anterior de L2, y en la que la sección de pared W2 comprende canales de derivación situados en la parte media corriente abajo de L2.

11. Celda de combustible según la reivindicación 9, en la que la primera sección de pared W1 comprende 10 canales de derivación situados en la parte media corriente abajo de L1 y en la que la segunda sección de pared W2 comprende tres canales de derivación colocados en la parte media anterior de L2, y en la que la segunda sección de pared W2 tiene 5 canales de derivación situados en la parte media corriente abajo de L2.

12. Celda de combustible según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en la que cada ruta de serpentina tiene 5 patas L1, L2, L3, L4 y L5, 4 secciones de pared, W1, W2, W3 y W4 y cuatro secciones en curva, T1, T2, T3 y T4.

13. Celda de combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que una o más de dichas patas L1, L2, ... LN son esencialmente patas rectas.

14. Celda de combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que una o más de dichas patas L1, L2, … LN son curvadas.

15. Celda de combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que las trayectorias de serpentina están separadas entre sí de tal manera que ninguna trayectoria de serpentina está enredada en otra trayectoria de serpentina.

16. Celda de combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la última pata LN de uno o más de las trayectorias de serpentina en una posición que corresponde a la parte corriente abajo de dicha pata se divide en dos o más ramas (22), cada una de las cuales se extiende hasta el borde de dicha placa de refrigeración.

17. Celda de combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el área de la sección transversal de cada pata L1, L2, ... LN de una o más de las trayectorias de serpentina son esencialmente iguales.

18. Celda de combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la anchura de cada pata L1, L2, ... LN de una o más de las trayectorias de serpentina son esencialmente iguales.

19. Celda de combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la relación entre el área de la sección transversal de cualquiera de los canales de derivación (16) y el área de la sección transversal de alguna de las patas L1, L2 ... LN, de forma independiente es de 0,1 a 1, tal como de 0,2 a 0,9, tal como de 0,3 a 0,8, por ejemplo, de 0,4 a 0,7, tal como de 0,5 ó 0,6.

20. Celda de combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende uno o más grupos distintos de canales de derivación, en la que la separación entre cada uno de los canales de derivación en cada grupo es de1 a 8, tal como de 2 a 7, por ejemplo, de 3 a 6, tal como 4 ó 5 veces la anchura de las patas L1, L2, ... LN.

21. Celda de combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la placa de refrigeración es para una celda de combustible PEM o una celda de combustible SOFC.

22. Celda de combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la placa está fabricada de un material seleccionado del grupo que comprende: grafito, grafito en polvo que comprende un aglutinante, un metal, un metal que comprende un revestimiento resistente a la corrosión, una aleación, un aleación que comprende un revestimiento resistente a la corrosión, una mezcla de elastómero eléctricamente conductor, y un material cerámico eléctricamente conductor.

23. Celda de combustible según cualquier reivindicación anterior, en la que la placa de refrigeración es una placa bipolar con un lado del ánodo para combustible de hidrógeno y un lado del cátodo con canales para gas oxidante, en la que el lado del cátodo es el lado de refrigeración y el fluido de refrigeración es el gas oxidante.