Inyección directa de agua en pila de combustible.

Un conjunto de pila de combustible que comprende:

una placa de campo de flujo de fluido (40) que tiene una pluralidad de canales formados en la superficie de lamisma y que se extiende a través la superficie de la placa en un patrón predeterminado;

una lámina de distribución (41, 82) que tiene una pluralidad de canales formados en una superficie de la misma yse extiende desde un primer borde de la lámina de distribución a un segundo borde de la lámina de distribución,terminando los canales en el segundo borde en posiciones sustancialmente coincidentes con las posicionesrespectivas de los canales de la placa de campo, y

una lámina de cubierta (42, 81) que se extiende sobre la lámina de distribución para encerrar los canales de lalámina de distribución y de ese modo formar conductos de agua entre las dos láminas.

Inyección directa de agua en pila de combustible [0001]La presente invención se refiere a pilas de combustible, y en particular a placas de campo de flujo adecuadas para uso en pilas de combustible de electrolito de polímero sólido, cuyas placas de campo de flujo actúan como conductos de suministro de fluidos a superficies de los electrodos de la pila de combustible.

Las pilas de combustible electroquímicas convencionales convierten el combustible y el oxidante en energía eléctrica y un producto de reacción. Un diseño típico de una pila de combustible convencional 10 se muestra en la figura 1 que, para mayor claridad, ilustra las diversas capas en forma despiezada. Una membrana de transferencia iónica de polímero sólido 11 se intercala entre un ánodo 12 y un cátodo 13. Normalmente, el ánodo 12 y el cátodo 13 están formados ambos de un material poroso conductor de la electricidad tal como carbono poroso, al que están unidas pequeñas partículas de catalizador de platino y/o otro catalizador de metal precioso. El ánodo 12 y el cátodo 13 están a menudo unidos directamente a las respectivas superficies adyacentes de la membrana 11. Esta combinación se denomina comúnmente como el conjunto membrana-electrodo, o MEA

Intercalando las capas de membrana de polímero y de electrodo poroso está una placa de campo de flujo de fluido de ánodo 14 y una placa de campo de flujo de fluido de cátodo 15. Pueden emplearse también placas de respaldo intermedias 12a y13a entre la placa de campo de flujo de fluido de ánodo 14 y el ánodo 12 y de forma similar entre la placa de campo de flujo de fluido de cátodo 15 y el cátodo 13. Las placas de respaldo son de naturaleza porosa y están fabricadas de forma que se asegure una difusión eficaz de gas a y desde las superficies de ánodo y cátodo además de ayudar en la gestión del vapor de agua y agua líquida. A lo largo de la presente especificación, las referencias a los electrodos (ánodo y / o cátodo) pretenden incluir electrodos con o sin una placa tal de respaldo.

Las placas de campo de flujo de fluido 14, 15 están formadas de un material no-poroso eléctricamente conductor mediante el cual se puede hacer contacto eléctrico al respectivo electrodo anódico 12 o electrodo catódico 13. Al mismo tiempo, las placas de campo de flujo de fluido deben facilitar el suministro y / o escape de combustible líquido, oxidante y/o producto de reacción a y desde los electrodos porosos. Esto se hace convencionalmente mediante la formación de pasos de flujo de fluido en una superficie de las placas de campo de flujo de 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 de fluido proporciona una estructura en zig-zag 20 en una cara del ánodo 14 (o cátodo 15) que tiene un colector de entrada 21 y un colector de salida 22 como se muestra en la figura 2 (a) . Según el diseño convencional, se entenderá que la estructura en zig-zag 20 comprende un canal 16 en la superficie de la placa 14 (o 15) , mientras que los colectores 21 y 22 comprenden cada uno una abertura a través de la placa de manera que el suministro de ese fluido a, o salida de ese fluido de, el canal 20 pueda ser comunicado a través de la profundidad de un apilamiento de placas en una dirección ortogonal a la placa como se indica particularmente por la flecha en la sección trasversal A-A mostrada en la figura 2 (b) .

Pueden proveerse otras aberturas de colector 23, 25 para comunicación de combustible, oxidante, otros fluidos o escape a otros canales en las placas, no mostradas.

Los canales 16 en las placas de campo de flujo de fluido 14, 15 pueden estar abiertos en ambos extremos, es decir, los canales se extienden entre un colector de entrada 21 y un colector de salida 22 como se muestra, permitiendo un caudal continuo de fluido, normalmente usado 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 colector 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 suministrar combustible de hidrógeno al MEA 11-13 en una estructura tipo peine.

Con referencia a la figura 3, se muestra una vista en sección transversal de una parte de un apilamiento de placas que forman un conjunto convencional de pilas de combustible 30. En esta disposición, se combinan de forma convencional las placas de campo de flujo de fluido adyacentes al ánodo y al 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 del colector de entrada 21 y las aberturas del colector de salida 22 están superpuestas para proporcionar colectores de entrada y salida a todo el apilamiento. Los diversos elementos del apilamiento se muestran ligeramente separados para mayor claridad, aunque se entenderá que se comprimirán entre sí mediante juntas de estanqueidad, si es necesario.

Con el fin de obtener una alta y mantenida capacidad de suministro de energía de una pila de combustible, es necesario generalmente 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 o ambos, alimentados por los colectores 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 un 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, de fase liquida a vapor.

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

Un método alternativo es suministrar 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 combustible por evaporación y extracción del calor latente de vaporización.

Este proceso directo de eliminación de calor que facilita 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 pilas de combustible.

En la técnica anterior, es común adoptar un régimen de enfriamiento que intercala placas de intercambio de calor entre las 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 de enfriamiento utilizan un flujo de fluido recirculante o, menos comúnmente, flujo de fluido forzado que elimina calor del apilamiento de pilas 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 la pila de combustible.

Una dificultad que puede encontrarse en la introducción directa de agua es suministrar cantidades precisas de agua a los numerosos canales 16 de las placas de campo de flujo de fluido dentro de un apilamiento de pilas de combustible 30. Normalmente, esto requiere el suministro de cantidades precisas de agua a miles de lugares individuales. Para conseguir esto, se necesita un diseño complejo de placas de campo de flujo de fluido 14, 15 o 31, lo que es más difícil de conseguir y que incrementa los costes de producción.

Si el proceso de suministro de agua es desigual entonces el efecto refrigerador puede distribuirse pobremente, resultando... [Seguir leyendo]

. Un conjunto de pila de combustible que comprende:

una placa de campo de flujo de fluido (40) que tiene una pluralidad de canales formados en la superficie de la misma y que se extiende a través la superficie de la placa en un patrón predeterminado;

una lámina de distribución (41, 82) que tiene una pluralidad de canales formados en una superficie de la misma y se extiende desde un primer borde de la lámina de distribución a un segundo borde de la lámina de distribución, terminando los canales en el segundo borde en posiciones sustancialmente coincidentes con las posiciones respectivas de los canales de la placa de campo, y

una lámina de cubierta (42, 81) que se extiende sobre la lámina de distribución para encerrar los canales de la lámina de distribución y de ese modo formar conductos de agua entre las dos láminas.

. Un conjunto de pila de combustible de la reivindicación 1 en el que la lámina de distribución incluye:

una primera serie de canales que se extienden hasta el primer borde de lámina;

una red de canales, en comunicación con la primera serie de canales, formando una galería de distribución de presión; y

una segunda serie de canales, en comunicación con la red de canales, que se extiende hasta el segundo borde de la lámina.

3. Un conjunto de pila de combustible según la reivindicación 1 o la reivindicación 2 en el que los canales de la lámina de distribución terminan en el segundo borde de la lámina en una pluralidad de estructuras de convergencia adaptadas para concentrar el flujo de agua en un canal respectivo en la placa de campo de flujo de fluido.

4. Un conjunto de pila de combustible según la reivindicación 3 en el que cada estructura de convergencia comprende un rebaje en el segundo borde de la lámina de distribución.

5. Un conjunto de pila de combustible según la reivindicación 4 en el que el rebaje comprende un corte arqueado en el segundo borde de la lámina de distribución.

6. Un conjunto de pila de combustible según la reivindicación 1 o la reivindicación 2 en el que los canales de la lámina de distribución terminan en el primer borde de la lámina en al menos una abertura del colector de suministro en la placa de campo de flujo de fluido.

7. Un conjunto de pila de combustible según la reivindicación 1 en el que la lámina de distribución está formado de acero inoxidable.

8. Un conjunto de pila de combustible según la reivindicación 1 o la reivindicación 7 en el que los canales de la lámina de distribución están químicamente grabados.

9. Un conjunto de pila de combustible que comprende:

una placa de campo de flujo de fluido que tiene una pluralidad de canales formados en la superficie de la misma y que se extiende a través la superficie de la placa en un patrón predeterminado;

una lámina de distribución que tiene una pluralidad de canales formados en la superficie de la misma, extendiéndose cada canal a partir de las primeras posiciones proximales o a un primer borde de la lámina de distribución a segundas posiciones proximales o a un segundo borde de la lámina de distribución, terminando los canales en las segundas posiciones sustancialmente coincidentes con las posiciones respectivas de los canales de la placa subyacente; y

una lámina de cubierta coextensiva con una parte sustancial de la lámina de distribución para encerrar los canales de la lámina de distribución sobre al menos parte de su longitud entre las posiciones primera y segunda y por lo tanto formar conductos para agua entre las dos láminas.

10. El conjunto de pila de combustible según la reivindicación 9 en el que la lámina de distribución incluye:

una primera serie de canales que se extienden a las primeras posiciones proximales a o en el primer borde de la lámina de distribución;

una disposición de canales, en comunicación con la primera serie de canales, formando una galería de distribución de presión, y

una segunda serie de canales, en comunicación con la disposición de canales, que se extiende a las segundas posiciones proximales a o en el segundo borde de la lámina de distribución.

11. El conjunto de pila de combustible según la reivindicación 9 o reivindicación 10 en el que los canales de la lámina de distribución terminan en las segundas posiciones en una pluralidad de estructuras de convergencia adaptadas para concentrar el flujo de agua en un canal respectivo en la placa de campo de flujo de fluido.

12. El conjunto de pila de combustible según la reivindicación 1 o la reivindicación 2 en el que los canales de la lámina de distribución terminan en las primeras posiciones en al menos una abertura del colector de suministro en la placa de campo de flujo de fluido.

13. El conjunto de pila de combustible según cualquier reivindicación precedente que incluye además una serie de placas de campo de flujo de fluido, en calidad de cátodos y / o ánodos, formada en un apilamiento con un conjunto membrana-electrodo respectivo adyacente a ellas.

14. El conjunto de pila de combustible según la reivindicación 13 en el que cada placa de campo de flujo de fluido de cátodo tiene una de dichas láminas de distribución respectivas y dichas láminas de cubierta interpuestas entre la placa y el conjunto adyacente membrana-electrodo.

15. Un conjunto de pila de combustible que comprende:

una placa de campo de flujo de fluido que tiene una pluralidad de canales formados en la superficie de la misma y que se extiende a través la superficie de la placa en un patrón predeterminado;

un conjunto membrana-electrodo (MEA) adyacente en contacto con la placa de flujo de fluido sobre un área activa de la MEA y;

una membrana de distribución interpuesta entre la placa de campo de flujo de fluido y la MEA, membrana que tiene una pluralidad de conductos de agua que se extienden a través de la misma entre primeras posiciones proximales a o en un primer borde de la membrana a segundas posiciones proximales a o en un segundo borde de la membrana, terminando los conductos en las segundas posiciones sustancialmente coincidentes con los respectivos canales de la placa.

16. El conjunto de pila de combustible según la reivindicación 15 en el que la membrana comprende una junta de estanqueidad del conjunto de pila de combustible.

17. El conjunto de pila de combustible según la reivindicación 16 en el que los conductos están formados como canales en una superficie de la junta de estanqueidad adyacente a la placa de campo de flujo de fluido.

18. El conjunto de pila de combustible según la reivindicación 15 en el que se forma la membrana de distribución como una estructura multicapa.