Célula de combustible sin placas bipolares.

Módulo de células de combustible, que está constituido por una pila de células (1) con placas extremas (13,

14)sobre el lado del ánodo y el lado del cátodo con un sistema de fijación (17) y con conexiones de medios (30 - 35)para oxígeno, hidrógeno y medio de refrigeración y con varias células (7i, 7i+1, 7i+2) individuales, que presentan,respectivamente, una unidad de electrodos de membrana (10), que está constituida por un ánodo de electrodos y uncátodo de electrodos (5, 6) de material poroso, permeable al gas y por una membrana de electrolito (2) dispuesta enmedio con catalizador de ánodo y catalizador de cátodo (3, 4) y que dispone de una toma de corriente (15, 16) sobreel lado del ánodo y el lado del cátodo, caracterizado porque los conductos de alimentación de medios (30, 31, 32) ylos conductos de salida de medios (33, 34, 35) están asociados a un módulo de refrigeración y módulo de medios(40), que está configurado, prescindiendo de placas bipolares, solamente para servir para la preparación de canalesde refrigeración y canales de gas (42, 43, 44) y para la formación de pilas y a través de coberturas de electrodos (72,92) para la derivación, pero no para la conducción de la corriente y porque, respectivamente, sobre ambos lados delmódulo de refrigeración y del módulo de medios (40) o bien está dispuesto el electrodo de hidrógeno (5, 5') o elelectrodo de oxígeno (6, 6') de la unidad de electrodos de membrana (10) de la célula (7i, 7i+1, 7i+2) individualadyacente.

Célula de combustible sin placas bipolares La invención se refiere a un módulo de células de combustible, que está constituido por una pila de células con placas extremas sobre el lado del ánodo y el lado del cátodo con un sistema de fijación y con conexiones de medios para oxígeno, hidrógeno y medio de refrigeración y con varias células individuales, que presentan, respectivamente, una unidad de electrodos de membrana, que está constituida por un ánodo de electrodos y un cátodo de electrodos de material poroso, permeable al gas y por una membrana de electrolito dispuesta en medio con catalizador de ánodo y catalizador de cátodo y que disponen de una toma de corriente sobre el lado del ánodo y el lado del cátodo.

Los módulos de células de combustible de este tipo están compuestos por células individuales, que presentan, respectivamente, un ánodo y un cátodo y una membrana de electrolito colocada en medio de ellos. En el ánodo se oxida hidrógeno, en el cátodo los protones con oxígeno y los electrones que afluyen a través de un consumidor y un conductor de corriente se convierten en agua. Si se conectan el ánodo y el cátodo a través de un conductor eléctrico, entonces fluye corriente. Además, se libera calor. Todo el proceso se puede desarrollar de forma continua, es decir, que se alimenta constantemente hidrógeno y oxígeno a los electrodos respectivos. Tales células de combustible se conocen, por ejemplo, a partir del documento DE 12 72 679 A1 así como a partir del documento EP 0 490 808 A1. En estas células de combustible conocidas, se emplean electrodos con alta porosidad, para que esté disponible una superficie grande pata la conversión electroquímica. Estos electrodos están dotados sobre el lado de la membrana con partículas de metal noble que actúan con acción catalítica, de tamaño reducido, especialmente partículas de platino o aleaciones de platino, así como con capas conductoras de corriente. En las construcciones convencionales se alimentan oxígeno e hidrógeno a través de placas bipolares a los electrodos, estando fresados en estas placas bipolares unos pasos finos, para distribuir de una manera fina hidrógeno y oxígeno sobre las superficies de electrodos. Desde allí se transportan a través de difusión oxígeno e hidrogeno hacia las zonas de reacción. Estas placas bipolares deben estar dispuestas sobre ambos lados de la unidad de electrodos de membrana y son costosas y caras de fabricar. Los pasos mencionados anteriormente sirven tanto como conducto de entrada como también al mismo tiempo como conducto de salida de los medios implicados en el proceso para la generación de corriente eléctrica. Además, es un inconveniente que tanto deben admitir gas alimentado no mezclado como también deben dejar salir gases residuales y productos de reacción. Las cúpulas de las nervaduras que permanecen entre los pasos sirven para la transmisión de la corriente desde los electrodos sobre las placas bipolares, mientras que la sección transversal del paso debe conducir la cantidad de gas necesaria. El conflicto de construcción que resulta de ello – superficie grande de transmisión de la corriente frente a sección transversal grande de la circulación – solamente se puede solucionar con dificultad o no se puede solucionar en absoluto. Las placas bipolares tienen una estructura costosa de espacio e influyen en gran medida en las dimensiones de todo el módulo de células de combustible. Además, deben ser buenas conductoras de electricidad y de calor y deben impedir la difusión del gas desde una célula individual hacia la siguiente, por ejemplo a través de las llamadas barreras de gas de capas de material correspondientes, que están insertadas en las placas bipolares. La difusión del gas en placas bipolares es sólo difícil de impedir, de manera que la tasa de pérdida de gas puede ser relativamente alta, o bien el rendimiento total de las células de combustible es reducido. Las placas bipolares reciben canales de gas para posibilitar la conducción de medios de proceso. Deben favorecer la formación de la estructura mecánica de la pila de células. Es un inconveniente que las placas bipolares no son elásticas, es decir, que presentan una estructura rígida. Además, es necesario que sean química y electroquímicamente estables en presencia de medios agresivos y sean duraderos a temperaturas de funcionamiento de hasta 200ºC. La búsqueda de materiales adecuados o bien de compromisos de materiales y de procedimientos de fabricación no se ha desarrollado hasta ahora de forma satisfactoria y conduce, por ejemplo, a espesores de pared demasiado grandes de las placas bipolares y, por lo tanto, a alturas de construcción desfavorables de toda la pila de células. Tampoco el desacoplamiento del calor de proceso que se produce durante el proceso está exento de problemas. O bien el calores transportado a través de radiación desde el cuerpo de la pila hasta el medio ambiente y se acepta una potencia reducida de la pila o se realizan canales de refrigeración en las placas bipolares, con inconvenientes considerables y costes en la fabricación, en particular en construcciones, que se fabrican con procedimientos que son similares a la fundición por inyección. En este caso son un inconveniente las alturas de construcción grandes en virtud de las propiedades del material de las placas bipolares y, donde sea posible, barreras de gas dobles. Por lo tanto, son habituales construcciones, que prevén células de refrigeración en un retículo determinado entre las células individuales, omitiendo células individuales correspondientes. Este tipo de construcción es conveniente cuando deben conseguirse potencias mayores de pilas y deben disiparse cantidades de calor, pero a costa de la altura de las pilas o bien de la densidad de potencia por unidad de volumen de una pila., La conexión bipolar de una pila de este tipo provoca que a través de la conexión en serie de las células individuales se puedan conducir corrientes correspondientes a través de toda la célula, con un potencial de la tensión en parte desfavorable y no admisible desde el punto de vista de la técnica de seguridad. La conversión siguiente de las magnitudes eléctricas (escala acorde con la práctica) solamente es posible con sistemas eléctricos caros. Además, toda la pila falla cuando falla una célula individual. La reparación de tal pila solamente se puede realizar con dificultad o incluso no es posible, la recuperación de materiales caros (partículas de catalizador) solamente se consigue cuando se desmonta la pila, es decir, cuando se destruye. Por lo demás, se pueden formar de manera espontánea “nidos” que actúan con efecto electrolítico, cuando componentes, tales como placas bipolares, trabajan en un medio ácido y fluye corriente. La estructura rígida de las placas bipolares hace que las

tolerancias de fabricación y las dilataciones térmicas irregulares de los componentes implicados en la pila (unidades de electrodos de membrana, placas bipolares, juntas de obturación, placas extremas) se sumen sobre la sección transversal de la pila y conduzcan a la inclinación de la pila. La compensación mecánica de la dirección de la pila durante el montaje a través de tensión previa correspondiente por medio del dispositivo tensor conduce entonces a fugas sobre uno de los lados y aplastamiento de los cantos sobre el otro lado, tal vez acompañado con daños de los componentes, en particular de las juntas de obturación. Además, es un inconveniente que toda la pila debe llevarse antes del comienzo propiamente dicho a temperatura de funcionamiento, con cantidades considerables de energía, que deben prepararse desde una fuente de energía prevista a tal fin, por ejemplo una batería conectada de forma correspondiente. De esta manera, se pueden evitar en gran medida daños de la membrana y de los catalizadores. También de acuerdo con el documento US 6.194.095 B1 y con el documento EP 1 429 406 A, un combustible presenta en principio dos placas extremas con sistema tensor. Además, están equipadas con tomas de corriente para la corriente conducida a través de la pila de células.

Por lo tanto, la invención tiene el cometido de crear a través de nuevas disposiciones y a través de nuevos componentes, prescindiendo de las placas bipolares, un módulo de células de combustible que se puede fabricar bien y de estructura pequeña o bien estrecha, para el que se puede tomar la corriente directamente desde la célula individual correspondiente.

Este cometido se soluciona de acuerdo con la invención porque los conductos de alimentación de medios y los conductos de salida de medios están asociados a un módulo de refrigeración y módulo de medios, que está configurado, prescindiendo de placas bipolares, solamente para servir... [Seguir leyendo]

1. Módulo de células de combustible, que está constituido por una pila de células (1) con placas extremas (13, 14) sobre el lado del ánodo y el lado del cátodo con un sistema de fijación (17) y con conexiones de medios (30 – 35) para oxígeno, hidrógeno y medio de refrigeración y con varias células (7i, 7i+1, 7i+2) individuales, que presentan, respectivamente, una unidad de electrodos de membrana (10) , que está constituida por un ánodo de electrodos y un cátodo de electrodos (5, 6) de material poroso, permeable al gas y por una membrana de electrolito (2) dispuesta en medio con catalizador de ánodo y catalizador de cátodo (3, 4) y que dispone de una toma de corriente (15, 16) sobre el lado del ánodo y el lado del cátodo, caracterizado porque los conductos de alimentación de medios (30, 31, 32) y los conductos de salida de medios (33, 34, 35) están asociados a un módulo de refrigeración y módulo de medios (40) , que está configurado, prescindiendo de placas bipolares, solamente para servir para la preparación de canales de refrigeración y canales de gas (42, 43, 44) y para la formación de pilas y a través de coberturas de electrodos (72, 92) para la derivación, pero no para la conducción de la corriente y porque, respectivamente, sobre ambos lados del módulo de refrigeración y del módulo de medios (40) o bien está dispuesto el electrodo de hidrógeno (5, 5’) o el electrodo de oxígeno (6, 6’) de la unidad de electrodos de membrana (10) de la célula (7i, 7i+1, 7i+2) individual adyacente.

2. Módulo de células de combustible de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el módulo de refrigeración y módulo de medios (40) con canales de refrigeración (42) y canales de admisión (65) para gas está configurado de manera que consta de una estructura elástica, con preferencia de dos o más componentes (60, 60’) (figura 9) .

3. Módulo de combustible de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la pila interior (109) de una pila de células (1) está configurada de manera que permite, a través de distanciadores (79) configurados elásticos o dispuestos desplazados, una deformación elástica y una transpiración en el eje de la pila (111) (figuras 3a, 13) .

4. Módulo de combustible de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el módulo de refrigeración y módulo de medios (40) está configurado con canales de refrigeración (63) y canales de gas (42, 43, 44) de chapa, lámina o banda en frío de acero noble o de lámina de plástico (figuras 3e, 7, 7a, 7b, 8) .

5. Módulo de combustible de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el módulo de refrigeración y módulo de medios (40) está configurado de manera que está constituido con canales de refrigeración (63) y canales de gas (65) de plástico, con preferencia de lámina de plástico (figuras 3, 5, 6, 9) .

6. Módulo de combustible de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado porque la presión en los canales de refrigeración (42) y en los canales de gas (43, 44) para hidrógeno y oxígeno son variables y se puede ajustar de acuerdo con la presión superficial deseada en la unidad de electrodos de membrana (10) (figura 7) .

7. Módulo de combustible de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las coberturas de electrodos (72, 72’) y los componentes (90, 90’) del canal de refrigeración (42) están separadas por distanciadores (79) .

8. Módulo de combustible de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los canales de admisión (65) para gas están configurados de manera que presentan un conducto de admisión parcial (66, 66’) y una zona de distribución de gas parcial (67) y manipulan una zona de distribución de gas parcial (68) , (figura 5) .

9. Módulo de combustible de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la cobertura de electrodos (72, 92’) del módulo de refrigeración u módulo de medios (40) presenta pasos de gas (73) para hidrógeno u oxígeno y conductos de salida (74) para hidrógeno residual, oxígeno residual y productos de reacción sobre el lado que está dirigido hacia el ánodo de electrodo y el cátodo de electrodo (5, 6) , (figura 7) .

10. Módulo de combustible de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque en los conductos de salida (74) configurados como rejilla continua, se ajuste una presión menor que en los canales de gas (43, 44) .

11. Módulo de combustible de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las piezas individuales (7i, 7i+1, 7i+2) están configuradas y dispuestas estratificadas apiladas en abanico (56) .

12. Módulo de combustible de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las piezas individuales (7i, 7i+1, 7i+2) están configuradas y dispuestas estratificadas paralelas en abanico (57) .

13. Módulo de combustible de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la pila de células (1) está configurada de manera que está constituida por un paquetes exterior de anillos componentes y por anillos de obturación (83, 84, 85) o por un bastidor de células (50) , que sirve como pila exterior (110) así como por la pila interior (109) formada por la unidad de electrodos de membrana (10) y por el módulo de refrigeración y módulo

de medios (40) , (figuras 11, 13) .

14. Módulo de combustible de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la longitud de la pila interior (109) presenta frente a la longitud de la pila exterior (110) una medida definida (inframedida, sobremedida) .

15. Módulo de combustible de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la pila de células (1) presenta chapas de canales de refrigeración (90, 91) de la misma longitud y anchura, delimitando las chapas (90, 91) los espacios funcionales (42, 43, 44) individuales con las juntas de obturación (83, 84, 85) colocadas intermedias y presentando el bastidor de células (50) formado por ellas los canales de suministro (92, 92’, 139, 140, 140’) necesarios, cuyos canales transversales (93, 133, 133’, 134, 135) , canales de conexión (136, 138) , canales de distribución (134) , orificios de conexión (142, 142’) y canales de derivación (143) están previstos de manera que salen como conexión de los espacios funcionales (41, 42) , (figura 3a y figura 11a) .

16. Módulo de combustible de acuerdo con la reivindicación 15, caracterizado porque los canales de suministro (92) asociados al bastidor de células (50) para hidrógeno, oxígeno y el medio de refrigeración así como los canales de evacuación (92’) para los productos de reacción y los gases excesivos están configurados de manera que se extienden paralelos y transversales.

17. Módulo de combustible de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la corriente de refrigeración en los canales de refrigeración (42, 42’) está guiada en sentido opuesto desde una célula individual

(7) hacia una célula individual (7i+1, 7i+2) y es suministrada con preferencia por dos sistemas de refrigeración desacoplados (figura 13a) .

18. Módulo de combustible de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque cada célula individual (7i, 7i+1, 7i+2) presenta una capa de conducción de la corriente (45, 45’) , que está guiada en cada caso a través de la pared exterior (48) de la pila de células (1) hacia fuera y está provista con un conector (80) y conectada (figura 6, figura 10 (plástico) ) .

19. Módulo de combustible de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la superficie (36) del ánodo de electrodo y del cátodo de electrodo (5, 6) está provista con la capa de guía de la corriente conductora de electricidad (45, 45’, 105, 105’, 106, 107) , (figuras 3a – c – plástico y chapa) .

20. Módulo de combustible de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la capa de conducción de la corriente (107, 107’) está dispuesta en un plano de la zona de reacción (R1; R2) y del catalizador de ánodo y cátodo (3, 4) .

21. Módulo de combustible de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la capa de conducción de la corriente (106, 106’) está dispuesta en el plano entre el ánodo de electrodo y el cátodo de electrodo (5, 6) y el módulo de refrigeración y módulo de medios (40) .

22. Módulo de combustible de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el ánodo de electrodo y el cátodo de electrodo (5, 6) están realizados con efecto de conducción de calor, porosos con relación a difusión de gas y convección de gas y química y térmicamente estables.

23. Módulo de combustible de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la o las pilas de células (1) están alojadas en una carcasa de apilamiento (100) ventilable, que dispone de interfaces (104) para distribución y evacuación de medios (101, 102) de la carcasa de apilamiento (100) así como para la supervisión de la tensión y de la presión (figura 10b) .

24. Módulo de combustible de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la pila de células (1) presenta células individuales (7) conectadas en paralelo (figura 13) .

25. Módulo de combustible de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la pila de células (1) está compuesta por pilas parciales (124, 125) , cuya pila parcial (124) está configurada y conectada de manera que sirve como pila de arranque para las otras pilas parciales (125) y está conectada con un intercambiador de calor (120) (figura 13b) .

26. Módulo de combustible de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las pilas parciales (124, 125) están conectadas en paralelo, de manera que sus células individuales (7) están conectadas en serie, respectivamente.

27. Módulo de combustible de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las coberturas de electrodos (72, 72’, 158) están provistas con banderolas de corriente (130, 131) , que sirven para la conducción de corriente desde los espacios de reacción a través de los electrodos (5, 6) y las coberturas de electrodos (72) hacia el lado exterior (48) de la pila (1) y están conectadas allí entre sí y, en concreto, a través de soldadura de banderolas de corriente, retacado o conexión con conectores.