Procedimiento y dispositivo para aumentar la duración de vida de una pila de combustible con membrana de intercambio de protones.

Procedimiento de utilización de una pila de combustible (1) de tipo PEFMC,

compuesta por una membrana depolímero (2) y electrodos (3, 4), presentes a un lado y otro de la membrana, que comprende las etapassiguientes:

- medición de los rendimientos iniciales de la pila;

- seguimiento de los rendimientos de la pila en el curso del tiempo;

- inversión de los electrodos correspondientes al ánodo (3) y al cátodo (4), respectivamente, en el curso de lautilización, cuando se consigue un umbral predeterminado de los rendimientos,

caracterizado porque la inversión de los electrodos consiste en:

- cambiar físicamente los electrodos (3, 4); o bien

- intercambiar la alimentación de gas de los electrodos (3, 4) gracias a un sistema de aprovisionamiento decomburente y de carburante (11) a cada electrodo (3, 4) o por rotación de la pila (1) dispuesta sobre unaplataforma rotativa (13).

Procedimiento y dispositivo para aumentar la duración de vida de una pila de combustible con membrana de intercambio de protones. 5 SECTOR DE LA INVENCION

La presente invención se encuentra en el campo de las pilas de combustible con membrana de intercambio de protones ("Proton Exchange Membrane Fuel Cell'J bien conocidas con el acrónimo PEMFC.

Propone una solución que permite limitar el fenómeno de corrosión del soporte catalitico de carbono que se produce en el catodo de dichas pilas, prolongando asi su duración de vida. De manera mas precisa, la presente invención se basa en una inversión del funcionamiento de la pila.

ESTADO DE LA TECNICA ANTERIOR

Las PEMFC son generadores de corriente cuyo principio de funcionamiento, mostrado en la figura 1, se basa en la conversión de energia quimica en energia electrica, por reacción catalitica de hidr6geno y oxigeno.

Los conjuntos de membrana - electrodos, o AME 1, llamados comunmente nucleo de la pila, constituyen los elementos de base de las PEMFC. Se componen de una membrana de polimero 2 y de capas cataliticas 3, 4 presentes a uno y otro lado de la membrana 2 y que constituyen respectivamente el anodo y el catodo.

La membrana 2 permite, por lo tanto, separar los compartimientos an6dico 5 y catódico 6. Las capas cataliticas 3, 4 estan constituidas, en general, por nanoparticulas de platino soportadas por agregados de carbono. Capas de difusión gaseosa 7, 8 (tejido de carbono, filtro, etc.) estan dispuestas a un lado y otro de la AME 1 para asegurar la conducción electrica, el reparto homogeneo de los gases reactivos y la evacuación del agua producida por la reacción. Un sistema de canales 9, 10 colocado a cada lado del AME conduce los gases reactivos y evacua hacia el

exterior el agua y los gases en exceso. En el anodo 3, la descomposición del hidr6geno adsorbido sobre el catalizador produce protones H+ y electrones e-. Los protones atraviesan inmediatamente la membrana de polimero 2 antes de reaccionar con el oxigeno en el catodo 4. La reacción de los protones con el oxigeno en el catodo conduce a la formación de agua y a la producción de calor (figura 2) . La mejora de la duración de vida de las PEMFC constituye un desafio principal para la utilización y desarrollo de las pilas para el mercado de gran publico. Es la razón por la que la revelación y compresión de los fenómenos de envejecimiento del nucleo de dichas pilas son, en la actualidad, esenciales.

Se ha observado que la degradación de los materiales de los electrodos se refiere, sobre todo, a la capa activa catódica 4 (figura 3) . La corrosión del soporte catalitico de carbono en el catodo, mecanismo bien conocido, es particularmente negativo para la pila.

El soporte de carbono se oxida segun la reacción siguiente:

Esta degradación se acentua cuando la pila es sometida a ciclos de potencia (J. P. Meyers y R. M. Darling J.

Electrochem. Soc., 153 (8) , A1432, 2006) . El potencial de esta reacción (1) es de aproximadamente 0, 2 V/ENH. Dado que el potencial catódico de una pila es, en general, superior a 0, 2 V, esta reacción tiene lugar en todos los casos.

Por otra parte, el oxigeno presente en el anodo 3 es normalmente reducido por el hidr6geno del compartimiento an6dico. No obstante, cuando tiene lugar las fases de paro/puesta en marcha, ciclos de potencia, formación de tapones de agua, paro de la alimentación de hidr6geno, el hidr6geno no es suficiente para atender al oxigeno. Cuando tiene lugar estas fases, el oxigeno que se encuentra todavia presente puede recurrir a otras fuentes de protones y, en particular, a los producidos por la oxidación del carbono catódico. El oxigeno presente en el anodo 3

actua como una bomba de protones ("efecto bomba de protones") , que acentua la corrosión del carbono a nivel de la capa catalitica catódica 4, y la reacción (1) se desplaza entonces fuertemente hacia la derecha (figura 3) : La degradación del platino en el catodo participa tambien de la disminución de los rendimientos de la pila. Uno de los mecanismos de degradación se refiere a la oxidación, disolución y recristalización del platino.

La maduración electroquimica es otro mecanismo de degradación del platino que conduce a un aumento de las dimensiones de las particulas del platino.

Por otra parte, la degradación del soporte de carbono catódico induce el desprendimiento de las particulas de platino 10 (A A. Franco y M. Gerard J. Electrochem. Soc., 155 (4) , 8367, 10 2008) (Y. Shao, G. Yin y Y. Gao J. Power Sources., 171, 558, 2007) .

Se han propuesto metodos para aumentar la duración de vida de las pilas de combustible.

Asi pues, una solución tecnica para limitar la corrosión del carbono en el catodo, descrita en el documento JP 2006-278190 consiste en introducir di6xido de carbono (CO2) en el aire, en el catodo y comprobar su cantidad.

Mas recientemente, el documento FR 2 925 229 describe una solución basada en una disminución periódica de las temperaturas de la pila y de los humidificadores durante varias horas, de manera que se mantenga una 20 humedad relativamente estable. Esta solución permite, efectivamente, aumentar significativamente la duración de vida de las pilas pero requiere un dispositivo de control de la temperatura.

Por otra parte, la introducción del compuesto quimico en una cantidad reducida en el hidr6geno (en el anodo) , tal como CO, permite por una parte limitar el efecto de "bomba de protones" y disminuir, por lo tanto, el 25 fenómeno de corrosión del carbono catódico, y por otra parte, limitar la degradación del polimero conductor protónico. La duración de vida de la pila aumenta igualmente de manera significativa (A. A. Franco, M. Guinard,

B. Barthe y O. Lemaire Electrochimica Acta, 54, 5267-5279, 2009) .

El documento US 2004/126629 describe un procedimiento de funcionamiento de una pila de combustible que 30 comprende, como minimo, una etapa de inversión de la alimentación de gas de los electrodos.

MATERIA DE LA INVENCION

La presente invención se inscribe en la busqueda de nuevas soluciones tecnicas que permitan limitar la 35 corrosión del carbono en el catodo en las PEMFC y de este modo, prolongar su duración de vida.

De modo esencial, la presente invención propone invertir el funcionamiento de la pila. Al no ser simetrico el deterioro de los electrodos, la inversión permite, por una parte, gestionar el catodos deteriorado que funciona entonces correctamente como anodo, y por otra parte, utilizar el anodo no aceptado como nuevo catodo. Se aprecia claramente que la presente invención constituye una solución tecnica poco costosa y simple de poner en practica.

De este modo, la presente invención se refiere a un procedimiento de utilización de una pila de combustible de tipo PEMFC que consiste en realizar, como minimo, una inversión del funcionamiento de la pila en el curso de 45 su utilización, segun el objeto de la reivindicación 1.

De manera mas precisa, al estar compuesta la pila por una membrana de polimero y de electrodos, es decir, un anodo y un catodo, se preve intercambiar el papel especifico de estos electrodos. En la practica y de acuerdo con esta inversión, el electrodo que jugaba el papel de anodo pasa a ser el catodo y reciprocamente, el

electrodo que desempafaba el papel de catodo pasa a ser el anodo.

De este modo, y de acuerdo con un primer aspecto, la invención se refiere a un procedimiento de utilización de una pila de combustible del tipo PEMFC, compuesto por una membrana de polimero y electrodos presentes en un lado y otro de la membrana, que comprende las etapas siguientes:

-medición de los rendimientos iniciales de la pila;

-seguimiento de los rendimientos de la pila a lo largo del tiempo;

-inversión de los electrodos que corresponden al anodo y al catodo, respectivamente, en el curso de la utilización cuando se llega a un umbral predeterminado de los rendimientos.

Dentro del ambito de la invención, se comprende ventajosamente por "rendimientos" el potencial (U) de la pila.

Esta operación de inversión se puede repetir hasta el agotamiento de la pila, es decir, el hundimiento del potencial.

Segun una primera forma de realización, el funcionamiento de la pila es invertido gracias a una inversión fisica de la misma. Se trata, por lo tanto, de intercambiar fisicamente los electrodos, es decir, un desplazamiento por lo menos parcial del dispositivo. La practica se trata de desmontar la pila e invertir el nucleo de la pila (conjunto AME) y despues volver a cerrar la pila.

Alternativamente y segun una segunda forma de realización, se trata de invertir la naturaleza de los gases... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de utilización de una pila de combustible (1) de tipo PEFMC, compuesta por una membrana de polimero (2) y electrodos (3, 4) , presentes a un lado y otro de la membrana, que comprende las etapas siguientes: -medición de los rendimientos iniciales de la pila;

-seguimiento de los rendimientos de la pila en el curso del tiempo;

-inversión de los electrodos correspondientes al anodo (3) y al catodo (4) , respectivamente, en el curso de la

utilización, cuando se consigue un umbral predeterminado de los rendimientos, 10 caracterizado porque la inversión de los electrodos consiste en:

-cambiar fisicamente los electrodos (3, 4) ; o bien

-intercambiar la alimentación de gas de los electrodos (3, 4) gracias a un sistema de aprovisionamiento de comburente y de carburante (11) a cada electrodo (3, 4) o por rotación de la pila (1) dispuesta sobre una plataforma rotativa (13) .

2. Procedimiento, segun la reivindicación 1, caracterizado porque la inversión de los electrodos (3, 4) es repetida, por lo menos, dos veces en el curso de la utilización.

3. Procedimiento, segun la reivindicación 1 6 2, caracterizado porque el umbral predeterminado de los 20 rendimientos corresponde a una disminución del 20º de los rendimientos iniciales de la pila.

4. Procedimiento, segun una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el seguimiento de los rendimientos de la pila a lo largo del tiempo es realizado de manera continua o a intervalos de tiempo predeterminados.

5. Procedimiento, segun una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque antes de la inversión de los electrodos (3, 4) , el sistema de alimentación de gas (11) es limpiado, ventajosamente, por paso de un gas neutro.

6. Pila de combustible (1) adaptada para la puesta en practica del procedimiento, segun una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque comprende un sistema de aprovisionamiento de componente de carburante (11) en cada electrodo (3, 4) .

7. Pila de combustible, segun al reivindicación 6, caracterizada porque el sistema de aprovisionamiento (11) 35 esta dotado de valvulas (12) .

8. Pila de combustible (1) adaptada para la puesta en practica del procedimiento, segun una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque esta dispuesta sobre una plataforma rotativa (13) .

9. Pila de combustible, segun la reivindicación 8, caracterizada porque la pila esta conectada al sistema de aprovisionamiento de gas (11) por medio de racores rapidos (14) .

10. Pila de combustible, segun una de las reivindicaciones 6 a 9, caracterizada porque esta conectada al

sistema de medición del potencial de la pila. 45