Una placa de campo de flujo fluido (51) para uso en una pila de combustible,

la placa comprendiendo una primera pluralidad de canales /53) formados en una primera superficie (57) de la misma y extendiéndose por una primera superficie con un patrón predeterminado, la placa teniendo una región plegada (52) a lo largo de un borde lateral (58), la región plegada comprendiendo una cámara (55) y una región de interfaz (56), la cámara teniendo un eje longitudinal sustancialmente paralelo al borde lateral de la placa, la región de interfaz comprendiendo dos porciones adyacentes y enfrentadas de la primera superficie, en donde se provee un agujero (71) en un borde plegado (58) de la placa (51) para permitir entrada de fluido refrigerante adentro de la cámara (55), el agujero extendiéndose desde una superficie exterior de la región plegada hasta la cámara

La presente invención se refiere a pilas de combustible, y en particular a placas de zona de flujo fluido adecuadas para uso en pilas de combustible de electrolito de polímero sólido, las cuales actúan como conductos de entrega de fluido a superficies de electrodo de la pila de combustible.

Las pilas de combustible electroquímicas convencionales convierten combustible y oxidante en energía eléctrica y un 5 producto de reacción. Un diseño típico de una pila de combustible convencional 10 se muestra en la Fig. 1 que, por claridad, ilustra las diversas capas en forma explotada. Una membrana de transferencia de iones en polímero macizo 11 está en sándwich entre un ánodo 12 y un cátodo 13. Normalmente, el ánodo 12 y el cátodo 13 están ambos formados de un material poroso conductor eléctrico tal como carbono poroso, al que están unidas pequeñas partículas de catalizador de platino y/o otros metales preciosos. El ánodo 12 y el cátodo 13 están a menudo unidos directamente a las superficies adyacentes 10 respectivas de la membrana 11. Esta combinación es comúnmente designada como el conjunto membrana-electrodo, o MEA 17.

Poniendo en sándwich las capas de membrana de polímero y electrodo poroso está una placa de campo de ánodo de flujo fluido 14 y una placa de campo de cátodo de flujo fluido 15. Placas de respaldo intermedias, a las que aquí se refiere como capas difusoras, pueden emplearse también entre la placa de campo de ánodo de flujo fluido 14 y el ánodo 12 y de forma 15 similar entre la placa de campo de cátodo de flujo fluido 15 y el cátodo 13. Las placas de respaldo son de naturaleza porosa y fabricadas de forma que se asegure una difusión eficaz de gas a y desde las superficies de ánodo y cátodo así como ayudar en la gestión del vapor de agua y agua líquida.

Las placas de campo de flujo fluido 14, 15 están formadas de un material poroso eléctricamente conductor por lo cual puede hacerse contacto eléctrico al respectivo electrodo de ánodo 12 o electrodo de cátodo 13. A mismo tiempo, las placas de 20 campo de flujo fluido facilitan la entrega y/o escape de combustible fluido, oxidante y/o producto de reacción a y desde los electrodos porosos 12, 13. Esto se hace convencionalmente formando pasos de flujo fluido en una superficie de las placas de campo de flujo fluido, tales como ranuras o canales 16 en la superficie presentada a los electrodos porosos 12, 13.

Con referencia también a la fig. 2(a), una configuración convencional de canal de flujo fluido proporciona una estructura serpentina 20 en una cara de la placas de campo de flujo fluido de ánodo 14 (o cátodo 15) , que tiene un puerto de entrada 25 21 y un puerto de salida 22 como se muestra en la Fig. 2(a). Según el diseño convencional, se entenderá que la estructura serpentina 20 comprende un canal 16 en la superficie de la placa 13 (o 15), mientras los puertos 21 y 22 comprenden cada uno una abertura a través de la placa de forma que el fluido para entrega a, o escape de, la estructura serpentina 20 pueda comunicar a través de la profundidad de una pila de placas en una dirección ortogonal a la placa como se indica particularmente por la flecha en la sección A-A mostrada en la Fig. 2(b). 30

Con referencia a la Fig. 3, en un conjunto convencional de pila de combustible 30, se forman pilas de placas. En esta disposición, se combinan de forma convencional la placas de campo de flujo fluido adyacentes de ánodo y cátodo para formar una placa bipolar única 31 que tiene canales de ánodo 32 en una cara y canales de cátodo 33 en la cara opuesta, cada uno adyacente a un respectivo conjunto membrana-electrodo (MEA) 34. Las aberturas de puerto de entrada 21 y las aberturas de puerto de salida 22 están todas revestidas para proveer colectores de entrada y salida a toda la pila. Los 35 diversos elementos de la pila se muestran ligeramente separados por claridad, aunque se entenderá para los propósitos de la presente invención que se comprimirán juntos usando casquillos de sellado.

Otras aberturas de colector 23, 25 pueden proveerse para comunicación de combustible, oxidante, otros fluidos o escape a otros canales en las placas, como por ejemplo se muestra en la Fig. 2ª.

Los canales 16 en las placas de campo de flujo fluido 14, 15 pueden estar abiertos en ambos extremos, es decir, los canales 40 se extienden entre un puerto de entrada 21 y un puerto de salida 22 como se muestra, permitiendo un paso continuo de fluido. Esta disposición de extremos abiertos se usa normalmente para suministro de oxidante y escape de reactivo combinados. Alternativamente, los canales 16 pueden estar cerrados por un extremo, es decir cada canal tiene comunicación con sólo un puerto de entrada 21 para suministrar fluido, confiando enteramente en la transferencia del 100% del material gaseoso dentro y fuera de los electrodos porosos del MEA. El canal cerrado puede usarse normalmente para 45 entregar combustible de hidrógeno al MEA 11-13 en una estructura tipo peine.

Con el fin de obtener una alta y mantenida capacidad de entrega de energía de una pila de combustible, es generalmente necesario mantener un alto contenido de agua dentro del conjunto membrana-electrodo, y en particular dentro de la membrana.

En la técnica anterior, esto se consigue convencionalmente humidificando los gases de alimentación, sean combustible, aire 50 o ambos, alimentados por los puertos de entrada 21, 22 o 23 o canales 16. Una desventaja con esta técnica es que para mantener niveles suficientes de humidificación, las corrientes de gas de entrada requieren a menudo calentamiento y aparato suplementario para introducir vapor de agua en las corrientes fluyentes de gas.

En la técnica anterior, el aparato suplementario se ha implementado de diversas formas. Burbujeando los gases de combustible u oxidante a través de columnas de agua calentada antes de que se haya realizado la introducción en la pila de combustible. Alternativamente, se han utilizado membranas permeables como medios de transferencia de agua de forma que el agua se lleva en una corriente de gas desde una cámara adyacente que contiene agua líquida. De forma similar también se han adoptado mechas para actuar como medios de transporte de agua, en fase liquida a vapor. 5

El aparato adicional puede e3star separado de, o formar una parte integral del montón de pilas de combustible. En cualquier caso, existe un incremento asociado en tamaño y complejidad del conjunto.

Un método alternativo es entregar agua directamente a la membrana 11, 34, es decir directamente a las superficies de electrodos o dentro de los canales 16 de las placas bipolares 31. Esta técnica tiene la ventaja de que no sólo suministra el agua para mantener un alto contenido de agua en membrana sino que también puede actuar para enfriar la pila de 10 combustible por evaporación y extracción del calor latente de vaporización.

Este proceso directo de eliminación de calor que provee la extracción de energía vía la corriente de gas de salida tiene distintas ventajas asociadas con la eliminación de placas de enfriamiento intermedias dentro del conjunto de apilamiento de pila de combustible.

En la técnica anterior, es común adoptar un régimen de enfriamiento que intercala placas de intercambio de calor entre las 15 placas electroquímicamente activas a fin de extraer la energía térmica resultante de la ineficiencia resistiva y termodinámica de la pila de combustible. Estas placas de intercambio de calor, o enfriamiento utilizan un flujo de fluido recirculante o, menos comúnmente, flujo de fluido forzado que elimina calor del apilamiento de la pila de combustible. Las placas de refrigeración son en general de diseño diferente a las placas activas, y por ello añaden complejidad, tamaño y coste al conjunto de pila de combustible. 20

Una dificultad que puede encontrarse en la introducción directa de agua es entregar cantidades precisas de agua a los muchos canales 16 de placas de campo de flujo fluido dentro de un apilamiento de pila de combustible 30. Normalmente, esto requiere la entrega de cantidades precisas de agua a muchos miles de lugares individuales. Para conseguir esto, se necesita un diseño complejo de placas de campo de flujo fluido 14, 15 o 31, lo que es más difícil de conseguir y que aumenta los costes de producción. 25

Si el proceso de suministro de agua es desigual el efecto refrigerador puede distribuirse pobremente, resultando en puntos calientes localizados donde el sobrecalentamiento puede dar lugar a tensiones físicas y un deterioro de las propiedades mecánicas... [Seguir leyendo]

1. Una placa de campo de flujo fluido (51) para uso en una pila de combustible, la placa comprendiendo una primera pluralidad de canales /53) formados en una primera superficie (57) de la misma y extendiéndose por una primera superficie con un patrón predeterminado, la placa teniendo una región plegada (52) a lo largo de un borde lateral (58), la región plegada comprendiendo una cámara (55) y una región de interfaz (56), la cámara teniendo un eje longitudinal 5 sustancialmente paralelo al borde lateral de la placa, la región de interfaz comprendiendo dos porciones adyacentes y enfrentadas de la primera superficie, en donde se provee un agujero (71) en un borde plegado (58) de la placa (51) para permitir entrada de fluido refrigerante adentro de la cámara (55), el agujero extendiéndose desde una superficie exterior de la región plegada hasta la cámara.

2. La placa de campo de flujo fluido (51) de la reivindicación 1 en la que está formada una segunda pluralidad de canales 10 (61) en una segunda superficie (59) de la placa (51).

3. La placa de campo de flujo fluido (51) de la reivindicación 1 en la que la cámara (55) se extiende desde un primer borde (94) de la placa a un segundo borde opuesto.

4. La placa de campo de flujo fluido (51) de la reivindicación 1 en la que la región de interfaz (56) comprende una pluralidad de conductos que se extienden desde la cámara (55) hacia la primera pluralidad de canales (53). 15

5. La placa de campo de flujo fluido (51) de la reivindicación 1 en la que la pluralidad de conductos está provista por regiones embutidas, mordentadas o tratadas por abrasión dentro de partes adyacentes y enfrentadas de la primera superficie (57).

6. La placa de campo de flujo fluido (51) de la reivindicación 1 en la que la pluralidad de conductos está provista por un medio poroso interpuesto entre las porciones adyacentes y enfrentadas de la primera superficie (57). 20

7. La placa de campo de flujo fluido (51) de la reivindicación 6 en la que el medio poroso es de un material seleccionado de uno de papel, tela y PTFE expandido.

8. La placa de campo de flujo fluido (51) de la reivindicación 3 en la que la cámara está sellada en el primer y segundo bordes por sellos de fluido.

9. La placa de campo de flujo fluido (51) de la reivindicación 8 en la que los sellos de fluido están provistos mediante 25 regiones rizadas de la placa.

10. La placa de campo de flujo fluido (51) de la reivindicación 8 en la que los sellos de fluido están provistos por uno o más elementos sellantes dentro de la cámara (55).

11. Un conjunto de pila de combustible que comprende:

la placa de campo de flujo fluido (51) de la reivindicación 1; 30

un conjunto membrana-electrodo (17) adyacente a la primera superficie de la placa de flujo fluido; y

una capa difusora (19) en comunicación fluida con la primera pluralidad de canales (53) en la placa de campo de flujo fluido e interpuesta entre la primera superficie de la placa de campo de flujo fluido y el conjunto membrana-electrodo,

en donde un borde de salida de la región de interfaz (56) de la placa de campo de flujo fluido está en comunicación fluida con la capa difusora. 35

12. Un método de formar una placa de campo de flujo fluido (51) para uso en una pila de combustible, que comprende:

formar una primera pluralidad de canales (53) en una primera superficie (57) de la placa, los canales extendiéndose por la superficie en un patrón predeterminado;

y

formar una región plegada (52) a lo largo de un borde lateral (58) de la placa, la región plegada comprendiendo una 40 cámara (55) y una región de interfaz (56),

proveer un agujero (71) en un borde plegado (58) de la placa para permitir la entrada de fluido refrigerante en la cámara, el agujero extendiéndose desde una superficie exterior de la región plegada a la cámara,

la cámara teniendo un eje longitudinal sustancialmente paralelo al borde lateral de la placa, la región de interfaz comprendiendo dos porciones adyacentes y enfrentadas de la primera superficie.

13. El método de la reivindicación 12 que comprende además proveer un medio poroso interpuesto entre las porciones adyacentes y enfrentadas de la primera superficie (57).