Pila de combustible con apilamiento membrana / electrodos perpendicular al sustrato de soporte y procedimiento de realización.

Pila de combustible que incorpora al menos un apilamiento (5) dotado de una membrana electrolítica (6) situada entre un primer electrodo (15a) y un segundo electrodo (15b) perpendiculares a un sustrato de soporte (1,

25), incorporando dichos electrodos primero y segundo (15a, 15b) sendas capas catalíticas (7a, 7b) en contacto con la membrana electrolítica (6), pila caracterizada porque cada electrodo incorpora una capa de difusión porosa (16) de alimentación de fluido, siendo dicha capa de difusión eléctricamente conductora y separada de la membrana por la capa catalítica asociada, y porque cada apilamiento (5) queda confinado entre unos tabiquillos primero y segundo (17a, 17b) de soporte, eléctricamente conductores, perpendiculares al sustrato de soporte (1) y constitutivos de colectores de corriente del apilamiento (5), estando dichos tabiquillos de soporte (17a, 17b) aislados eléctricamente entre sí.

Pila de combustible con apilamiento membrana / electrodos perpendicular al sustrato de soporte y procedimiento de realización.

Ámbito técnico de la invención La invención está relacionada con una pila de combustible que incorpora al menos un apilamiento dotado de una membrana electrolítica situada entre un primer electrodo y un segundo electrodo perpendiculares a un sustrato de soporte, incorporando dichos electrodos primero y segundo sendas capas catalíticas en contacto con la membrana electrolítica.

Estado de la técnica La patente US 6.312.846 describe una pila de combustible, ilustrada en la figura 1, realizada en un sustrato de soporte 1, preferentemente de silicio. El sustrato de soporte 1 se graba en primer lugar para conformar un surco 2 que incorpora una base 3 que relaciona dos flancos opuestos 4a y 4b. Se realiza a continuación un apilamiento 5 constitutivo de la pila de combustible sobre la base 3 del surco perpendicularmente al sustrato 1 (los elementos principales del apilamiento van dispuestos uno al lado del otro a lo largo del sustrato y perpendiculares al sustrato) . El apilamiento incorpora una membrana electrolítica 6 situada entre dos electrodos, incorporando cada uno de ellos una capa catalítica 7 perpendicular a la base 3, unidas a unos colectores de corriente 14. La altura del apilamiento 5 se sensiblemente igual a la profundidad del surco 2. La pila de combustible incorpora dos canales de inyección 8a y 8b delimitados por el espacio dejado libre a cada uno de los lados del apilamiento 5 entre el apilamiento 5 y los flancos 4a y 4b. El primer canal 8a está destinado a la circulación de un fluido combustible, por ejemplo hidrógeno, en tanto que el segundo canal 8b está destinado a la circulación de un fluido comburente, por ejemplo oxígeno o aire. El surco 2 se recubre a continuación mediante una tapa 9 que, equipada con una capa de adhesivo 10, cierra herméticamente los canales de inyección 8a y 8b.

De acuerdo con otra forma de realización, ilustrada en la figura 2, la patente US 6.312.846 describe un apilamiento, realizado en el surco 2, cuya membrana (no representada) va dispuesta entre dos paredes intermedias 11a y 11b. Un espacio, acondicionado a cada uno de los lados de las paredes intermedias 11a y 11b, determina los canales de inyección 8a y 8b. Las paredes intermedias 11a y 11b incorporan cada una de ellas una pluralidad de hendiduras 12. Los elementos incorporan cada uno de ellos una parte metálica 13, situada en la base externa de la pared intermedia correspondiente y un catalizador 7, depositado a nivel de las hendiduras 12 y en contacto con la parte metálica 13, a la cual recubre en parte. Las partes metálicas 13 de los electrodos están unidas a unos conductores metálicos, en funciones de colectores de corriente 14. El catalizador 7 determina un punto, denominado punto triple fuente de la reacción, en el que se hallan en contacto la membrana electrolítica, la capa catalítica 7 y uno de los fluidos (combustible o comburente) . Esta triple fuente de la reacción tiene una superficie limitada a la suma de las superficies de las hendiduras 12 de las testas 11a y 11b. La eficiencia en rendimiento de superficie activa queda restringida por tanto a la superficie de las hendiduras 12 para cada tabiquillo. Además, la conducción eléctrica queda limitada únicamente a los colectores de corriente 14, induciendo una elevada pérdida óhmica a nivel de las capas catalíticas 7. Más aún, el aislamiento entre los electrodos mediante el material de soporte, en el cual está realizado el surco, no es de buena calidad.

Objeto de la invención La finalidad de la invención consiste en realizar una pila de combustible cuya densidad de potencia está optimizada y su pérdida óhmica, reducida.

Esta finalidad se consigue por el hecho de que cada electrodo incorpora una capa de difusión porosa, eléctricamente conductora, y porque cada apilamiento queda inserto entre unos tabiquillos de soporte primero y segundo, eléctricamente conductores, perpendiculares al sustrato de soporte y constitutivos de colectores de corriente del apilamiento, estando dichos tabiquillos de soporte aislados eléctricamente entre sí.

De acuerdo con una variante, la pila de combustible incorpora, uno al lado de otro, una pluralidad de apilamientos, a la vez que dos apilamientos adyacentes incorporan un tabiquillo común, hallándose unos bornes de la pila conectados a los tabiquillos situados en los extremos de la pluralidad de apilamientos.

De acuerdo con una primera forma de realización, la pila de combustible incorpora al menos dos apilamientos superpuestos, con una capa eléctricamente aislante, dispuesta entre el sustrato de soporte y el correspondiente apilamiento, que incorpora unos pasos para un fluido entre las capas de difusión de dos apilamientos superpuestos.

De acuerdo con una segunda forma preferente de realización, cada tabiquillo que separa dos apilamientos adyacentes incorpora un canal de inyección de un fluido que incorpora dos paredes, perpendiculares al sustrato de soporte y dotadas cada una de ellas de una pluralidad de orificios pasantes para la inyección de un mismo fluido en las adyacentes capas de difusión separadas por dicho tabiquillo.

La invención también está relacionada con un procedimiento de realización de una pila de combustible que comprende las siguientes etapas sucesivas:

- la transferencia de una placa de un material constitutivo de los tabiquillos de soporte al sustrato de soporte, disponiéndose sobre la placa y/o el sustrato de soporte unos medios de interconexión eléctrica,

- el grabado de los tabiquillos en la placa,

- la deposición de las capas de difusión y de las capas catalíticas sobre los tabiquillos por electrodeposición, con polarización de los tabiquillos por mediación de los medios de interconexión eléctrica.

Descripción sumaria de los dibujos Otras ventajas y características se pondrán más claramente de manifiesto a partir de la descripción subsiguiente de formas particulares de realización de la invención, dadas a título de ejemplos no limitativos y representadas en los dibujos que se adjuntan, en los que:

La figura 1 ilustra una vista en sección de una pila de combustible según la técnica anterior.

La figura 2 ilustra una vista en perspectiva de otra pila de combustible según la técnica anterior.

La figura 3 ilustra esquemáticamente una vista en sección de un apilamiento según la invención.

La figura 4 ilustra esquemáticamente una vista en sección de una pluralidad de apilamientos según una variante de la invención.

La figura 5 ilustra una vista en sección de una primera forma de realización de la invención.

La figura 6 ilustra una vista en sección de una variante de realización de la primera forma de realización de la figura 5.

Las figuras 7 a 9 ilustran, vistas en sección, diferentes etapas de un procedimiento de fabricación de la primera forma de realización.

La figura 10 ilustra una vista en sección de una segunda forma de realización de la invención.

La figura 11 ilustra en una vista desde arriba una variante de la segunda forma de realización.

La figura 12 ilustra una vista según A-A de la figura 10.

Las figuras 13 a 14 ilustran, en sección, diferentes etapas de un procedimiento de fabricación de la segunda forma de realización.

Las figuras 15 y 16 ilustran dos variantes de conexión eléctrica de la segunda forma de realización.

Descripción de una realización preferente de la invención Tal como se ilustra en la figura 3, una pila de combustible incorpora al menos un apilamiento 5 sensiblemente perpendicular al sustrato de soporte 1. El apilamiento 5, clásicamente, está dotado de una membrana electrolítica 6 situada entre unos electrodos primero y segundo 15a y 15b perpendiculares al sustrato 1. Los electrodos primero y segundo incorporan sendas capas catalíticas (7a, 7b) en contacto con la membrana electrolítica 6. Tal apilamiento 5 permite la fabricación de electricidad en virtud de la oxidación, sobre el primer electrodo 15a, de un fluido combustible, por ejemplo hidrógeno, acoplada a la reducción, sobre el segundo electrodo 15b, de un comburente, por ejemplo el oxígeno del aire.

Cada electrodo 15a y 15b incorpora una capa de difusión porosa 16 eléctricamente conductora. Cada apilamiento 5 queda inserto entre unos tabiquillos primero y segundo 17a y 17b de soporte, eléctricamente conductores y perpendiculares al sustrato de soporte 1. Una capa de difusión porosa 16 de cada electrodo se halla en contacto eléctrico, por una parte, con la capa catalítica 7a o 7b del correspondiente electrodo y, por otra, con el tabiquillo 17a... [Seguir leyendo]

1. Pila de combustible que incorpora al menos un apilamiento (5) dotado de una membrana electrolítica (6) situada entre un primer electrodo (15a) y un segundo electrodo (15b) perpendiculares a un sustrato de soporte (1, 25) , incorporando dichos electrodos primero y segundo (15a, 15b) sendas capas catalíticas (7a, 7b) en contacto con la membrana electrolítica (6) , pila caracterizada porque cada electrodo incorpora una capa de difusión porosa (16) de alimentación de fluido, siendo dicha capa de difusión eléctricamente conductora y separada de la membrana por la capa catalítica asociada, y porque cada apilamiento (5) queda confinado entre unos tabiquillos primero y segundo (17a, 17b) de soporte, eléctricamente conductores, perpendiculares al sustrato de soporte (1) y constitutivos de colectores de corriente del apilamiento (5) , estando dichos tabiquillos de soporte (17a, 17b) aislados eléctricamente entre sí.

2. Pila de combustible según la reivindicación 1, caracterizada porque los tabiquillos de soporte (17) están aislados entre sí mediante una capa aislante (20) dispuesta entre el sustrato de soporte (1, 25) y el apilamiento (5) correspondiente.

3. Pila de combustible según la reivindicación 1, caracterizada porque el sustrato de soporte (1, 25) está realizado en material aislante eléctrico.

4. Pila de combustible según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque la capa de difusión (16) de cada electrodo (15a, 15b) incorpora una pluralidad de nanohílos o de nanotubos que, sensiblemente paralelos al sustrato de soporte (1) , relacionan la capa catalítica (7) del electrodo con el correspondiente tabiquillo (17) .

5. Pila de combustible según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque la capa de difusión (16) es de silicio poroso.

6. Pila de combustible según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque las capas catalíticas (7) de los electrodos primero y segundo son de naturaleza y/o de estructura diferentes.

7. Pila de combustible según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada por incorporar, uno al lado de otro, una pluralidad de apilamientos (5) , a la vez que dos apilamientos adyacentes incorporan un tabiquillo (17c) común, hallándose unos bornes (32) de la pila conectados a los tabiquillos (17a, 17b) situados en los extremos de la pluralidad de apilamientos.

8. Pila de combustible según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada por incorporar al menos dos apilamientos (5) superpuestos, con una capa eléctricamente aislante (20) , dispuesta entre el sustrato de soporte (1) y el correspondiente apilamiento (5) , que incorpora unos pasos (21) para un fluido entre las capas de difusión (16) de dos apilamientos (5) superpuestos.

9. Pila de combustible según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque cada tabiquillo (17) que separa dos apilamientos adyacentes incorpora un canal de inyección (8) de un fluido que incorpora dos paredes (18a, 18b) , perpendiculares al sustrato de soporte (25) y dotadas cada una de ellas de una pluralidad de orificios pasantes (24) para la inyección de un mismo fluido en las adyacentes capas de difusión (16a, 16b) separadas por dicho tabiquillo (17) .

10. Pila de combustible según la reivindicación 9, caracterizada por incorporar una placa de distribución

(30) dotada de canales de distribución (23) conectados con los canales de inyección (8) .

11. Pila de combustible según una de las reivindicaciones 9 y 10, caracterizada porque las membranas electrolíticas (6) de los apilamientos (5) adyacentes están constituidas por segmentos de una membrana, continua, con forma de almenas y perpendicular al sustrato de soporte (25) , hallándose dispuesto a ambos lados de dicha membrana continua un conjunto constituido por una capa catalítica (7) y una capa de difusión (16) , hallándose dispuesto un tabiquillo (17) entre dos segmentos perpendiculares al sustrato de soporte (25) , hallándose dispuestas a un mismo lado de la membrana continua dos capas de difusión (16) adyacentes, dispuestas a ambos lados de un tabiquillo (17) .

12. Pila de combustible según la reivindicación 11, caracterizada por incorporar unas conexiones metálicas (28) con forma de regletas de bornes interdigitadas, estando conectada una regleta de bornes a los tabiquillos correspondientes a un mismo tipo de electrodo.

13. Pila de combustible según la reivindicación 12, caracterizada porque las conexiones metálicas están realizadas en unas capas de metalización (28a, 28b, 28c) dispuestas entre el sustrato de soporte (25) y los apilamientos.

14. Pila de combustible según una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 13, caracterizada por

incorporar al menos un apilamiento inferior y un apilamiento superior superpuestos, incorporando el sustrato de soporte del apilamiento inferior unos canales de distribución y determinando la placa de distribución del apilamiento superior.

15. Procedimiento de realización de una pila de combustible según una cualquiera de las reivindicaciones 5 9 a 14, caracterizado por comprender las siguientes etapas sucesivas:

- la transferencia de una placa de un material constitutivo de los tabiquillos de soporte (17a, 17b) al sustrato de soporte (25) , disponiéndose sobre la placa y/o el sustrato de soporte (25) unos medios de interconexión eléctrica (28a, 28b, 28c) ,

- el grabado de los tabiquillos en la placa,

- la deposición de las capas de difusión (16) y de las capas catalíticas (7) sobre los tabiquillos por electrodeposición, con polarización de los tabiquillos por mediación de los medios de interconexión eléctrica (28a, 28b, 28c) .

16. Procedimiento según la reivindicación 15, caracterizado porque el electrólito es inyectado entre las capas catalíticas (7) .