Uso, para la fabricación de una placa conductora monopolar o bipolar para un elemento de célula de combustible,

de al menos una aleación que comprende, en porcentajes en peso: del 24,0 al 27,0% de níquel; del 13,5 al 16,0% de cromo; del 1,90 al 2,35% de titanio; del 1,0 al 1,5% de molibdeno; del 0,10 al 0,50% de vanadio; como máximo el 0,08% de carbono; como máximo el 2,0% de manganeso; como máximo el 1,0% de silicio; como máximo el 0,35% de aluminio; como máximo el 0,03% de azufre; y como máximo el 0,01% de boro, consistiendo el resto en hierro e impurezas

Sector de la técnica

La presente invención se refiere a placas conductoras para elementos de célula de combustible.

Durante muchos años se ha realizado investigación con vistas a desarrollar nuevos sistemas de producción de energía que contrarresten el agotamiento constante de las reservas de petróleo y que al mismo tiempo tengan en cuenta los requisitos actuales y futuros en la lucha contra la contaminación y los cambios climáticos asociados.

Con respecto a esto, las células de combustible constituyen una fuente de electricidad no contaminante. Son generadoras de corriente de tipo electroquímico, cuyo principio de funcionamiento consiste en hacer pasar un combustible, generalmente hidrógeno, sobre un ánodo para generar, en presencia de un catalizador (tal como platino), protones que, tras haber pasado a través de un electrolito tal como una membrana polimérica, entran en contacto con un oxidante, generalmente oxígeno, que se genera en el cátodo, con el fin de producir agua, en combinación con electrones que también proceden del ánodo. El agua se descarga del sistema, al igual que el calor generado. La circulación de los electrones del ánodo al cátodo produce electricidad.

El hidrógeno usado en las células de combustible constituye un elemento prácticamente inagotable en todo el planeta. Puede producirse mediante la electrolisis de agua mediante medios de energía renovable, por ejemplo energía hidroeléctrica, eólica o solar, o por medio de una fuente de energía nuclear. Alternativamente, puede producirse mediante el reformado de gas natural o mediante la gasificación y después el reformado termoquímico de biomasa.

Las células de combustible pueden encontrar diversas aplicaciones, en particular en el desarrollo de vehículos “limpios”, es decir los que no emiten dióxido de carbono u otros contaminantes potencialmente dañinos para el medio ambiente o la salud humana, o en el desarrollo de sistemas portátiles de baja energía tales como teléfonos móviles y ordenadores portátiles.

En general, una célula de combustible comprende una pila de varios elementos de célula, cada uno de los cuales consiste en un electrolito, tal como una membrana de intercambio de protones o PEM, intercalada entre el ánodo y el cátodo, constituyendo el conjunto completo un núcleo activo o MEA (conjunto de membrana/electrodo) que está contenido a su vez entre dos placas conductoras. Se proporcionan colectores de corriente en los extremos de la pila de elementos de célula.

Las placas conductoras incluyen canales en los que fluyen los gases alimentados y de los que se descarga el agua. Pueden ser de tipo monopolar o bipolar. Se entiende que el término “monopolar” significa que cada elemento de célula comprende una placa de ánodo y una placa de cátodo en contacto directo (o en contacto mediante un separador que consiste en una placa de metal conductora corrugada) con las placas de cátodo y ánodo respectivas de los elementos de célula adyacentes. Se entiende que el término “bipolar” significa que cada placa comprende una cara de ánodo y una cara de cátodo y, en sí misma, garantiza la conexión entre dos elementos de célula adyacentes. En general, se hace circular un refrigerante en canales formados en la placa bipolar o formados entre dos placas monopolares adyacentes o bien en pasos proporcionados en la placa separadora corrugada.

En principio se interpone una capa de difusión de gas o GDL, que consiste en fibras conductoras, entre cada electrodo y la placa enfrentada al mismo.

Estado de la técnica

Las placas conductoras se fabrican convencionalmente de grafito o un material compuesto de carbono/polímero,

o placas metálicas.

El grafito hace posible lograr un buen rendimiento debido a sus altas conductividades eléctrica y térmica y su baja resistencia de contacto. También puede mecanizarse fácilmente, ofreciendo la posibilidad de optimizar la geometría de los canales que pasan a través del mismo. Finalmente, su alta resistencia a la corrosión garantiza la longevidad del núcleo del elemento de célula. Sin embargo, mecanizar grafito es una operación larga y extensa, sea cual sea el volumen de producción, reservándose su uso para elementos de célula de laboratorio y unos pocos prototipos.

Un material compuesto de carbono/polímero permite obtener placas mediante moldeo, lo que reduce considerablemente los costes. Sin embargo, aunque es de 10 a 20 veces más económico que las placas de grafito de las mismas dimensiones, las placas compuestas de carbono/polímero siguen siendo demasiado pesadas para mercados en masa, tales como el mercado del automóvil. Además, el rendimiento de este material es inferior al del grafito, debido a una menor conductividad y geometrías de canales menos favorables como resultado de las limitaciones de fabricación.

De hecho, el acero inoxidable constituye el material mejor adecuado para la producción en masa de células de combustible, con un coste desde 5 hasta 10 veces inferior al de materiales compuestos de carbono/polímero. Permite la producción de placas que ofrecen buena conducción eléctrica y térmica, combinado con una resistencia mecánica satisfactoria de los elementos de célula. También tiene la ventaja de ser ligero, ocupar poco espacio y poder someterse a muchas técnicas de ensamblaje demostradas.

Sin embargo, el acero inoxidable tiene determinados inconvenientes que quedan por superar, concretamente:

- la resistencia eléctrica de superficie de este material, inherente debido a la presencia de una capa de óxido (o película pasiva) sobre la superficie del metal, reduce el rendimiento de los elementos de célula como resultado de pérdidas óhmicas que se producen en la superficie de contacto entre la placa conductora y la capa de difusión de gas;

- la corrosión de los metales, en particular el cromo, en el medio reductor ácido de la célula de combustible libera cationes que, mediante contaminación de las membranas de la célula, limitan su vida útil; y

- optimización limitada de la geometría de la placa debido a la dificultad de conformar el material.

Ya se ha sugerido en la solicitud US 2002/0172849 usar aleaciones austeníticas de níquel-cromo para fabricar placas bipolares que tienen una alta conductividad y buena resistencia a la corrosión. Estas aleaciones contienen al menos el 50% en peso de cromo y níquel, siendo preferiblemente el níquel predominante. Las mejores propiedades de estas aleaciones, en comparación con el acero inoxidable 316 recomendado convencionalmente para este uso, se atribuyen a su alto contenido en níquel.

Además, se ha presentado una comparación del rendimiento de placas bipolares que tienen diversas composiciones químicas en la publicación de D.P. Davies et al., “Stainless steel as a bipolar plate material for solid polymer fuel cells”, Journal of Power Sources 86 (2000) 237-242. Entre las placas de acero inoxidable 316, 310 y 904L sometidas a prueba, que contienen del 18 al 25% de cromo y del 12 al 25% de níquel, la realizada a partir de acero inoxidable 904L demostró proporcionar una densidad de energía próxima a la de placas de grafito y notablemente superior a la del acero inoxidable 316. Este mejor rendimiento del acero 904L se atribuye a la alta proporción de níquel y cromo que contiene, suponiéndose que su rendimiento resulta de una película de óxido más delgada, que por tanto tiene una menor resistividad.

Además, la solicitud FR-2 860 104 ha sugerido una configuración de célula de combustible que hace posible obtener una alta área superficial para el contacto entre una placa monopolar y la correspondiente placa de difusión, y por tanto reducir la resistencia de contacto electrónica entre esos dos elementos con vistas a mejorar tanto la eficacia como la energía de la célula para proporcionar una densidad de corriente dada. Para hacer esto, la superficie de la placa se vuelve rugosa mediante tratamiento con chorro de arena, limado o abrasión, para que sea adecuada, o incluso corresponda, con la de la capa de difusión. Este tratamiento posterior es posiblemente más caro que el tratamiento “nativo” según la invención.

Sin embargo, sigue existiendo la necesidad de tener placas conductoras de acero inoxidable que permitan que la fabricación de elementos de célula de combustible tenga un rendimiento y vida útil que sean comparables a los de elementos de célula que comprenden placas de grafito mecanizadas, al tiempo... [Seguir leyendo]

1. Uso, para la fabricación de una placa conductora monopolar o bipolar para un elemento de célula de combustible, de al menos una aleación que comprende, en porcentajes en peso:

del 24,0 al 27,0% de níquel; del 13,5 al 16,0% de cromo; del 1,90 al 2,35% de titanio; del 1,0 al 1,5% de molibdeno; del 0,10 al 0,50% de vanadio; como máximo el 0,08% de carbono; como máximo el 2,0% de manganeso; como máximo el 1,0% de silicio; como máximo el 0,35% de aluminio; como máximo el 0,03% de azufre; y como máximo el 0,01% de boro,

consistiendo el resto en hierro e impurezas.

2. Uso según la reivindicación 1, caracterizado porque la aleación contiene: del 24,0 al 25,5% de níquel; del 14,0 al 16,0% de cromo; del 2,00 al 2,30% de titanio; del 1,2 al 1,5% de molibdeno; del 0,10 al 0,50% de vanadio; como máximo el 0,06% de carbono; como máximo el 2,0% de manganeso; como máximo el 0,3% de silicio; como máximo el 0,25% de aluminio; como máximo el 0,01% de azufre; y como máximo el 0,01% de boro,

consistiendo el resto en hierro e impurezas.

3. Lámina que comprende al menos una aleación según la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque tiene, al menos en una de sus caras, una media aritmética de la rugosidad Sa de 0,12 μm o superior, una amplitud de altura máxima St de menos de 4 μm y, preferiblemente, un área superficial desarrollada Sdr superior al 0,2%.

4. Procedimiento para tratar en superficie una lámina basada en una aleación según la reivindicación 1 ó 2, que comprende las siguientes etapas en sucesión:

(a) laminar en frío un producto semiacabado elegido de una plancha fina o una lámina laminada en caliente;

(b) recocer continuamente la lámina obtenida en la etapa (a), a una temperatura de entre 900 y 1200ºC durante un tiempo que oscila desde 10 segundos hasta 30 minutos, en una atmósfera oxidante; y

(c) decapar la lámina recocida obtenida en la etapa (b) poniéndola en contacto con al menos un ácido mineral a una temperatura de entre 40 y 100ºC.

5. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque incluye además una etapa de decapar electrolíticamente.

6. Procedimiento según la reivindicación 4 ó 5, caracterizado porque incluye además una etapa de aclarar, preferiblemente con agua, y después de secar la lámina decapada.

7. Lámina, caracterizada porque puede fabricarse mediante el procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6.

8. Uso de la lámina según la reivindicación 7, para la fabricación de una placa conductora para un elemento de célula de combustible.

9. Procedimiento para fabricar una placa conductora para un elemento de célula de combustible, que comprende el tratamiento en superficie de una lámina que contiene una aleación según la reivindicación 1 ó 2, según el procedimiento definido en las reivindicaciones 4 a 6, caracterizado porque incluye además al menos las siguientes etapas:

- someter dicha lámina que tiene un espesor de 0,05 a 0,5 mm, en particular de 0,1 a 0,2 mm, a una primera deformación por medio de una primera herramienta con el fin de obtener una pieza en bruto corrugada; y -someter dicha pieza en bruto corrugada a una segunda deformación tangencial por medio de una segunda herramienta.

10. Procedimiento según la reivindicación 9, caracterizado porque la sucesión de las deformaciones primera y segunda proporciona a la lámina un elongamiento de al menos el 25% al 35% con respecto a la longitud inicial de la lámina.

11. Procedimiento según la reivindicación 9 ó 10, caracterizado porque la lámina es según la reivindicación 3 ó 7.

12. Placa conductora para un elemento de célula de combustible, caracterizada porque puede obtenerse mediante el procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11.

13. Elemento de célula de combustible que comprende al menos una placa conductora monopolar o bipolar que comprende al menos una aleación según la reivindicación 1 ó 2.

14. Elemento de célula de combustible que comprende al menos una placa conductora monopolar o bipolar que comprende una lámina según cualquiera de las reivindicaciones 3 y 7.

15. Elemento de célula de combustible que comprende al menos una placa conductora monopolar o bipolar según la reivindicación 12.

16. Célula de combustible, en particular del tipo PEMFC (célula de combustible de membrana de intercambio de fotones), que contiene el elemento de célula según una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 15.

17. Uso de una célula de combustible según la reivindicación 16 para suministrar electricidad a un vehículo, tal como un vehículo a motor, o un medio de telecomunicación, tal como una antena de relé o un teléfono móvil.