Culata de distribuición de una pila de combustible.

Culata de distribución de fluidos (31, 41) para una célula electroquímica,

que comprende una línea de distribución(7a) de un fluido (31, 41) hacia una parte activa (6a) de la célula electroquímica, la línea de distribución (7a)comprendiendo una cavidad (34) capaz de recoger líquido, en comunicación con un conducto de evacuación (35) através de una electroválvula (36), la culata de distribución (21) caracterizándose porque comprende un tubo (44)que permite la evacuación de gases (H2, N2, H2O vapor) de la línea de distribución (7a) y porque el tubo (44) atraviesala cavidad (34).

Culata de distribución de una pila de combustible

La invención se refiere a una culata de distribución de fluidos para una célula electroquímica. Esta se refiere también a una pila de combustible provista de esta culata de distribución de fluidos.

Las células electroquímicas son unos dispositivos de conversión de energía. Estos dispositivos se clasifican, por lo general, en función del sentido de la conversión de energía. Los dispositivos que producen energía química a partir de energía eléctrica se denominan células electrolíticas, mientras que los dispositivos que producen energía eléctrica a partir de energía química se denominan pilas de combustible o batería.

Una pila de combustible permite la producción de electricidad gracias a dos reacciones químicas vinculadas: la oxidación de un combustible reductor sobre un primer electrodo, denominado ánodo, y la reducción de un oxidante sobre un segundo electrodo, denominado cátodo. A día de hoy, se utiliza de manera habitual el hidrógeno como combustible y el oxígeno que contiene el aire como oxidante.

Una pila de combustible encuentra una utilidad particular en el campo del transporte que, hasta la actualidad, utiliza esencialmente energía fósil, principalmente procedente del petróleo. El uso de esta energía produce una cantidad importante de dióxido de carbono que contribuye al aumento del efecto invernadero a nivel planetario. El uso de carburantes procedentes del petróleo también produce otros contaminantes como las partículas o los óxidos de nitrógeno.

La principal ventaja del uso de una pila de combustible que utiliza hidrógeno y oxígeno como gases de alimentación es que el único producto de las reacciones químicas de oxidación y de reducción es el agua.

Entre los diferentes tipos de pila de combustible, se distingue la pila de combustible con membrana intercambiadora de protones, también conocida con el término de pila de combustible con membrana de electrolito de polímero. Este tipo de pila está formado por una célula elemental o por un apilamiento de células elementales intercaladas entre una placa terminal que forma el ánodo y una placa terminal que forma el cátodo.

La figura 1 representa de manera esquemática una pila de combustible con membrana intercambiadora de protones que comprende una única célula elemental 1 intercalada entre un ánodo 2 y un cátodo 3. La célula elemental 1 comprende una membrana de electrolito de polímero 4, denominada membrana 4, intercalada entre dos capas activas 5a y 5 b, por ejemplo carbono poroso. Cada capa activa 5a, 5b está en contacto con una capa de difusión 6a

o 6b respectivamente, por ejemplo un sustrato de papel o un tejido de carbono. Las capas de difusión 6a y 6b permiten difundir los gases de alimentación que proceden de las líneas de distribución 7a y 7b hacia las capas activas 5a y 5b respectivamente. Las líneas de distribución 7a y 7b se realizan, por ejemplo, en parte en las placas bipolares 8a y 8b. En esta figura, las placas bipolares 8a y 8b están directamente en contacto con el ánodo 2 y el cátodo 3. Por supuesto, en el caso de un apilamiento de células elementales 1, una placa bipolar 8b de una primera célula elemental entra en contacto con una placa bipolar 8a de una segunda célula elemental, y así sucesivamente.

En una pila de combustible con membrana intercambiadora de protones que utiliza hidrógeno y oxígeno como gas de alimentación, el hidrógeno se introduce en forma gaseosa a la altura del ánodo 2, por ejemplo a través de la línea de distribución 7a, mientras que el oxígeno se introduce, también en forma gaseosa, a la altura del cátodo 3, por ejemplo a través de la línea de distribución 7b. En presencia de un catalizador, como por ejemplo el platino que contiene la capa activa 5a, el hidrógeno libera unos electrones e- de acuerdo con la reacción de oxidación siguiente:

H2 -2 H+ + 2 e-.

Los electrones e- liberados en la capa activa 5a van a unirse a la capa activa 5b a través de un circuito eléctrico 10 utilizando la energía eléctrica producida por la pila de combustible, y los protones H+, liberados durante esta primera reacción, van a migrar hacia la capa activa 5b atravesando la membrana 4. A la altura de la capa activa 5b, los protones H+ van a combinarse con el oxígeno O2 y con los electrones e-, siempre en presencia de un catalizador, de acuerdo con la reacción de reducción siguiente:

2H+ + ½ O2+ 2e--H2O.

De manera global, se produce la reacción de óxido-reducción siguiente:

H2 + ½ O2 -H2O.

Para un mejor rendimiento energético, las reacciones de oxidación y de reducción se deben producir en un determinado intervalo de temperatura y de presión. Para garantizar esta temperatura adecuada de funcionamiento, un líquido termoportador mantenido a una temperatura comprendida en este intervalo de temperatura circula por el interior de un conducto que pasa alrededor o a través de las células elementales 1.

El funcionamiento de una pila de combustible precisa numerosos intercambios de fluidos con unos dispositivos periféricos a la pila de combustible. En particular, el líquido termoportador necesita pasar a través de un dispositivo

que permite mantener su temperatura. Del mismo modo, las líneas de distribución 7a y 7b necesitan estar conectadas a unos circuitos de alimentación de hidrógeno y de oxígeno. En una búsqueda de reducción del tamaño, las líneas de distribución de los fluidos pueden desembocar a la altura de una única y misma pieza, denominada culata de distribución de fluidos o, de manera más simple, culata de distribución. El documento JP 2 003 178791 describe una culata de distribución de fluidos para una pila de combustible.

Las figuras 2a y 2b representan un ejemplo de culata de distribución 21 vista respectivamente de frente y en sección.

La culata de distribución 21 comprende una conexión de entrada 22a conectada al conducto 23 del líquido caloportador a la altura de un orificio de entrada 24a. El conducto 23 comprende una porción de conducto 23a integrado en la culata de distribución 21. El conducto 23 se prolonga por el interior o alrededor de la o de las células elementales 1 y termina en una porción de conducto 23b, por ejemplo integrada en la culata de distribución 21. Esta porción de conducto 23b comprende un orificio de salida 24b que puede alojar una conexión de salida, no representada. La culata de distribución 21 comprende también un orificio de entrada 26a y un orificio de salida 26b que permiten conectar la línea de distribución 7a con un circuito exterior, como un circuito de alimentación de hidrógeno, así como un orifico de entrada 28a y un orificio de salida 28b que permiten conectar la línea de distribución 7b con un circuito exterior, como un circuito de alimentación de oxígeno.

Para un buen funcionamiento de la pila de combustible, la membrana 4 debe contener agua con el fin de permitir la transferencia de los protones H+ de la capa activa 5a en el lado del ánodo 2 hacia la capa activa 5b en el lado del cátodo 3. La membrana 4 es permeable al agua. En consecuencia, se produce una transferencia de agua del cátodo 3 hacia el ánodo 2 mediante un mecanismo de difusión causado por la diferencia de concentración de agua en cada lado de la membrana 4. Este mecanismo de difusión de agua cohabita con una difusión de otras especies como el nitrógeno. A causa de la temperatura de la pila de combustible, el agua se presenta en la salida de la línea de distribución 7a esencialmente en forma gaseosa. Con el fin de optimizar el rendimiento de la pila y de incrementar su tiempo de vida útil, esta agua así como las otras especies, como el nitrógeno, se vuelven a inyectar en la entrada de la línea de distribución 7a con el hidrógeno. La circulación de hidrógeno y la reinyección del agua y del nitrógeno se puede garantizar mediante un circuito externo a la pila de combustible que comprende, por ejemplo, una bomba o un eyector 30, que se representan en las figuras 2a y 2b. La cantidad de agua presente en forma líquida, no obstante, se debe controlar de forma precisa. En efecto, una gran cantidad de agua en la célula elemental 1 impide la alimentación de hidrógeno y de oxígeno de las capas activas 5a y 5b, lo que implica una inversión de la tensión en los bornes de la pila de combustible y, por lo tanto, un fenómeno de electrólisis del agua. En algunos casos, por... [Seguir leyendo]

1. Culata de distribución de fluidos (31, 41) para una célula electroquímica, que comprende una línea de distribución (7a) de un fluido (31, 41) hacia una parte activa (6a) de la célula electroquímica, la línea de distribución (7a) comprendiendo una cavidad (34) capaz de recoger líquido, en comunicación con un conducto de evacuación (35) a

través de una electroválvula (36) , la culata de distribución (21) caracterizándose porque comprende un tubo (44) que permite la evacuación de gases (H2, N2, H2O vapor) de la línea de distribución (7a) y porque el tubo (44) atraviesa la cavidad (34) .

2. Culata de distribución según la reivindicación 1 caracterizada porque comprende un orificio de salida (26b) que

permite conectar la línea de distribución (7a) con un circuito externo y porque la cavidad (34) está formada próxima 10 al orifico de salida (26b) .

3. Culata de distribución según una de las reivindicaciones 1 o 2 caracterizada porque la cavidad (34) está formada a la altura de un punto bajo de la línea de distribución (7a) .

4. Culata de distribución según una de las reivindicaciones anteriores caracterizada porque la electroválvula (36)

está conectada a unos dispositivos (42) para controlar su apertura que comprende un sensor (42) de nivel de líquido 15 situado dentro de la línea de distribución (7a) .

5. Culata de distribución según la reivindicación 4 caracterizada porque el sensor (42) de nivel de líquido está situado en la cavidad (34) por encima de la electroválvula (36) .

6. Culata de distribución según una de las reivindicaciones 4 o 5 caracterizada porque los dispositivos (42) para

controlar la apertura de la electroválvula (36) comprenden un sensor de presión situado dentro de la línea de 20 distribución (7a) .

7. Culata de distribución según la reivindicación 4 caracterizada porque un extremo (45) del tubo (44) está situado por encima del sensor (42) de nivel de líquido.

8. Culata de distribución según una de las reivindicaciones anteriores caracterizada porque la cavidad (34) se

realizada mediante un conducto (38) que desemboca en la línea de distribución (7a) por un orificio (39) realizado en 25 la culata de distribución (21) .

9. Pila de combustible que comprende al menos una célula elemental (1) en la cual se produce una reacción de óxido-reducción que permite generar una corriente eléctrica entre dos electrodos (2, 3) de la pila de combustible, caracterizada porque comprende una culata de distribución (21) según una de las reivindicaciones anteriores.