Juntas para pilas de combustible.

Un conjunto de pila de combustible que comprende:

una primera chapa de zona de flujo de fluido (52a);

una segunda chapa de zona de flujo de fluido (52b);

un conjunto membrana-electrodo (44) con primera y segunda caras opuestas (76, 75), interpuestoentre la primera y segunda chapas de zona de flujo de fluido;

una junta (72, 82) que se extiende entre la primera y segunda chapas de zona de flujo de fluido y queforma respectivas superficies de cierre estanco primera y segunda (74a, 74c; 84a, 84c) con ellas,la junta también definiendo una tercera superficie de cierre estanco (74b, 84b), por la que la junta estáen contacto con únicamente una cara del conjunto membrana-electrodo (44),

caracterizado porque la junta (72, 82) tiene una región de compresibilidad incrementada en la tercerasuperficie de cierre estanco (74b, 84b) comparada con la segunda superficie de cierre estanco (74c,84c).

Juntas para pilas de combustible [0001] La presente invención se refiere a los juntas y en particular juntas para uso en conjuntos de pilas de combustible.

Las pilas de combustible electroquímicas convencionales transforman combustible y oxidante en energía eléctrica y un producto de reacción. Un esquema normal de una pila de combustible convencional 10 se muestra en la figura 1 que, por claridad, ilustra las diversas capas en forma despiezada. Una membrana de polímero macizo de transferencia de iones 11 está intercalada entre un ánodo 12 y un cátodo 13. Normalmente, el ánodo 12 y el cátodo 13 están formados ambos de un material poroso eléctricamente conductor, tal como carbón poroso, al que se unen pequeñas partículas de platino y/o de otros catalizadores de metales preciosos. El ánodo 12 y el cátodo 13 son a menudo unidos directamente a las superficies adyacentes respectivas de la membrana 11. Esta combinación es comúnmente referida colectivamente como el conjunto membrana-electrodo, o MEA 17.

La membrana de polímero y las capas porosas de electrodo se intercalan entre una chapa anódica de zona de flujo de fluido 14 y una chapa catódica de zona de flujo de fluido 15. También pueden emplearse capas de respaldo intermedias 12a y 13a, también referidas como ’difusores’ o capas difusoras, entre la zona de chapa anódica de zona de flujo de fluido 14 y el ánodo 12 y similarmente entre la zona de chapa catódica de zona de flujo de fluido 15 y el cátodo 13. Las capas de soporte son de naturaleza porosa y están fabricadas de modo que aseguran la difusión efectiva de gas a y desde las superficies de ánodo y cátodo así como ayudan en la conducción de vapor de agua y agua líquida.

Las chapas de zona de flujo de fluido 14, 15 están formadas de un material no poroso eléctricamente conductor, por el que puede hacerse contacto eléctrico con el respectivo electrodo de ánodo 12 o electrodo de cátodo 13. Al mismo tiempo, las chapas de zona de flujo de fluido facilitan el suministro y/o escape de combustible fluido, oxidante y/o producto de reacción a o desde los electrodos porosos 12, 13. Esto es convencionalmente efectuado formando vías de flujo de fluido en una superficie de las chapas de zona 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 figura 2 (a) , una configuración convencional de canal de flujo de fluido proporciona una estructura en serpentín 20 en un cara de la chapa de zona de flujo de fluido del ánodo 14 (o cátodo 15) , que tiene un puerto de entrada y un puerto de salida 22 como se muestra en la figura 2 (a) . Según el diseño convencional, se entenderá que la estructura en serpentín 20 comprende un canal 16 en la superficie de la chapa 14 (o 15) , mientras cada puerto 21 y 22 comprende una abertura en la chapa de tal modo que el fluido para suministro a, o escape de, la estructura en serpentín 20 puede estar comunicada en toda la profundidad de una pila de chapas en una dirección ortogonal a la chapa como se indica particularmente por la flecha en la sección transversal por A-A mostrada en la figura 2 (b) .

Con referencia a la figura 3, en un montaje convencional de pila de combustible 30, se reúnen pilas de chapas. En esta disposición, son combinados de manera convencional chapas adyacentes de zona de flujo de fluido de ánodo y cátodo para formar un única chapa bipolar 31 con canales de ánodo 32 en una cara y canales cátodos 33 en la cara opuesta, cada uno adyacente a un respectivo montaje de membrana-electrodo (MEA) 34. Las aberturas de puerto de entrada 21 y las aberturas de puerto de salida 22 están todas revestidas para proporcionar colectores de entrada y salida a la pila completa. Los diversos elementos de la pila se muestran ligeramente separados por claridad, aunque se entenderá a efectos de la presente invención que estarán comprimidas juntas utilizando juntas de estanqueidad.

Haciendo referencia a la figura 4, se muestra una vista parcial esquemática de un conjunto de MEA convencional y difusor 41, en el que se proveen capas difusoras 43 a cada lado del MEA 44. Una serie de puertos de fluido 42 son provistos dentro del MEA 44. Estos puertos de fluido 42 se proveen para coincidir con puertos de fluido en correspondiente chapas de flujo de fluido y juntas los cuales, cuando están montados juntos en un apilamiento, forman colectores para comunicar fluido en una dirección ortogonal a los planos de los MEAs. Estos colectores son utilizados para transportar fluidos en toda la profundidad del apilamiento a y desde las capas difusoras 43.

Una sección indicada por la línea A-A’ en la figura 4 se muestra en una vista en sección parcial esquemática en la figura 5. El MEA 44, con capas difusoras 43a, 43b provistas en cada cara, es ahora mostrado situado entre dos chapas de zona de flujo de fluido 52a, 52b. Se proveen superficies de estanqueidad 54a-d entre el MEA 44 y las chapas de flujo de fluido 52a, 52b por dos juntas 51a, 51b que están situadas a uno y otro lado del MEA 44 y fuera de la región definida por las capas difusoras 43a, 43b. Para evitar toda duda, estos cierres estancos de fluido 54a-d, y otros cierres estancos de fluido ilustrados adicionalmente, no pretenden indicar componentes diferentes de un conjunto de pila de combustible, sino indicar zonas de contacto con una junta donde se forma un cierre estanco de fluido cuando el MEA 44, las juntas 51a, 51b y la chapa de zona de flujo de fluido 52a, 52b son colocados bajo compresión.

Una cuña relativamente incompresible 53 puede estar provista sobre una superficie de la chapa de flujo de fluido 52a, por ejemplo para permitir flujo de fluido a o desde la capa difusora 43a a través de canales provistos en la cuña, y/o para vitar la junta 51a cierre canales provistos en la chapa de zona de flujo de fluido 52a cuando está bajo presión. Un cierre estanco de fluido puede también proporcionarse contra la cuña, aunque esto es menos importante para el funcionamiento de la pila del combustible que los otros cierres estancos de fluido 54a-d, puesto que el volumen rodeando la cuña 53 es estanco de otro modo, Este cierre estanco de fluido opcional no se indica por tanto en esta y otras figuras.

En la figura 5 y figuras siguientes la cuña 53 se muestra extendiéndose dentro de una región al menos parcialmente ocupada por el difusor 43a, la cual puede por ejemplo corresponde a un lado de ánodo o cátodo dentro del cual debe inyectarse agua de refrigeración a través de canales formados dentro de la cuña 53. Tal agua de refrigeración puede ser inyectada a través de otros puertos (no mostrados) provistos dentro de las chapas de zona de flujo de fluido que también están en comunicación fluida con la cuña 53.

La disposición convencional para un conjunto de pila de combustible como se muestra en la figura 5 tiene un total de cuatro superficies de cierre estanco 54a-54d para cada MEA, formadas en dos juntas separadas 51a, 51b. Sería ventajoso ser capaz de proporcionar la misma funcionalidad con un número reducido de superficie de cierre estanco y/o un número reducido de componentes, con el fin de simplificar el montaje de un pila de combustible y reducir el coste total de la pila de combustible.

Un modo de reducir el número de componentes es unificar las juntas 51a, 51b en una junta única, como se muestra esquemáticamente en la figura 6. En esta disposición, se proveen superficies de cierre estanco 64a, 64d entre la junta 61 y la chapa de zona de flujo de fluido 52a, 52b, pero se proveen superficies de cierre estanco 64b, 64c entre la junta 61y el MEA 44 dentro del mismo junta 61, a través de la sección transversal de la junta 61 que está en forma de una “c”. La junta moldeada 61 encapsula eficazmente el perímetro externo del MEA 44. Lograr tal resultado requiere un fuerte control de las dimensiones de la junta de tal modo que el espesor de la junta 61 es coherente con la dimensión de trabajo del MEA 44, junto con las capas difusoras 43a, 43b. Aunque puede lograrse una reducción del número de componentes, esto es a costa de un aumento en la complejidad del proceso de fabricación. Adicionalmente, las herramientas y procesos requeridos para crear juntas moldeados 61 aumentan los costes y reduce la flexibilidad del diseño de la pila de combustible.

US 6316139 revela una pila de combustible de electrolito de polímero que usa una junta que incluye una capa de elastómero provista con una capa adhesiva, la capa de elastómero estando adherida a al menos un lado de una chapa separadora por medio de la capa adhesiva.

WO 2006/024735 revela un cierre estático comprendiendo una capa de elastómero depositado en frio sobre una cara de un soporte y... [Seguir leyendo]

1. Un conjunto de pila de combustible que comprende:

una primera chapa de zona de flujo de fluido (52a) ;

una segunda chapa de zona de flujo de fluido (52b) ;

un conjunto membrana-electrodo (44) con primera y segunda caras opuestas (76, 75) , interpuesto entre la primera y segunda chapas de zona de flujo de fluido;

una junta (72, 82) que se extiende entre la primera y segunda chapas de zona de flujo de fluido y que forma respectivas superficies de cierre estanco primera y segunda (74a, 74c; 84a, 84c) con ellas,

la junta también definiendo una tercera superficie de cierre estanco (74b, 84b) , por la que la junta está en contacto con únicamente una cara del conjunto membrana-electrodo (44) ,

caracterizado porque la junta (72, 82) tiene una región de compresibilidad incrementada en la tercera superficie de cierre estanco (74b, 84b) comparada con la segunda superficie de cierre estanco (74c, 84c) .

2. El conjunto de pila de combustible de la reivindicación 1 en el que la tercera superficie de cierre estanco (74b, 84b) es adyacente interiormente a la segunda superficie de cierre estanco (74c, 84c) .

3. El conjunto de pila de combustible de la reivindicación 1 en el que la tercera superficie de cierre estanco (74b) es plana paralela a la segunda superficie de cierre estanco (74c) .

4. El conjunto de pila de combustible de la reivindicación 1 en el que la tercera superficie de cierre estanco (84b) está angulada oblicuamente respecto a la segunda superficie de cierre estanco (84c) .

5. El conjunto de pila de combustible de la reivindicación 1 en el que el junta (72) define un perfil de salto entre la segunda y la tercera superficies de cierre estanco (74c, 74b) .

6. Un método para formar un conjunto de pila de combustible, que comprende los pasos secuenciales de:

(i) proporcionar una primera chapa de zona de flujo de fluido (52a)

(ii) instalar una junta (72, 82) sobre la primera chapa de zona de flujo de fluido, la junta teniendo una primera superficie de cierre estanco (74a, 84a) , una segunda superficie de cierre estanco (74c, 84c) y una tercera superficie de cierre estanco (74b, 84b) , la tercera superficie de cierre estando completamente incluida dentro de un límite definido por un perímetro interno de la segunda superficie de cierre estanco, la junta (72, 82) teniendo una región de compresibilidad incrementada en la tercera superficie de cierre estanco comparada con la segunda superficie de cierre estanco, la primera superficie de cierre siendo instalado contra la primera chapa de zona de flujo de fluido (52a) ;

(iii) instalar un conjunto membrana-electrodo (44) en la junta, una parte de borde perimetral de una primera superficie del conjunto membrana-electrodo superponiéndose a la tercera superficie de cierre estanco (74b, 84b) de la junta;

(iv) posicionar una segunda chapa de zona de flujo de fluido (52b) sobre el conjunto membrana-electrodo y la junta, la segunda chapa de zona de flujo de fluido superponiéndose a la segunda superficie de cierre estanco y una segunda superficie del conjunto membrana-electrodo; y

(v) aplicar presión de compresión entre la primera y segunda chapas de zona de flujo de fluido (52a, 52b) a lo largo de la junta (72, 82) y el conjunto membrana-electrodo (44) para proporcionar cierres estancos a fluidos entre (i) la primera superficie de cierre estanco (74a, 84a) de la junta y la primera chapa de zona de flujo de fluido (52a) , (ii) la segunda superficie de cierre estanco (74c, 84c) de la junta y la segunda chapa de flujo de fluido (52b) , y (iii) la tercera superficie de cierre estanco (74b, 84b) de la junta y el conjunto membrana-electrodo (44) , la junta sellándose contra sólo una cara del conjunto membrana-electrodo.

7. El método de la reivindicación 6 que además incluye los pasos de:

instalar una primera capa difusora (73a) sobre la primera chapa de flujo de fluido (52a) dentro de la periferia interna de la junta, después del paso (i) o el paso (ii) ; e instalar una segunda capa difusora (73b) sobre el conjunto membrana-electrodo (44) después del paso (iii) .