Placa bipolar de pila de combustible con estanqueidad integrada y célula de pila de combustible que comprende dichas placas.

Placa bipolar (22) de pila de combustible, caracterizada porque incluye al menos un reborde en relieve ,

(47,23a, 33a, 40a, 27a, 35a, 41a, 23a) en al menos una de sus caras (51) de manera que asegure la estanqueidadde al menos un circuito de fluido de dicha pila de entre los circuitos de entrada de comburente, de carburante yde fluido caloportador y los circuitos de colecta de comburente, carburante y fluido caloportador, dichoscircuitos están formados por la superposición de aberturas realizadas en dicha placa (22) formandorespectivamente medio de entrada y de salida de comburente y de carburante (33, 40, 35, 41) y de aberturasque forman respectivamente medio de entrada y de salida de fluido caloportador (23,27) durante el ensamblajede las células (1) constitutivas de la pila de combustible y caracterizada porque al menos un reborde en relieve(47, 33a, 35a, 40a, 41a, 23a, 24a, 27a, 28a) soporta todo o parte de una junta (54) que es una banda de aceroo que está serigrafía.

Placa bipolar de pila de combustible con estanqueidad integrada y célula de pila de combustible que comprende dichas placas.

El invento concierne principalmente una placa bipolar de pila de combustible.

El invento concierne igualmente una célula de pila de combustible incluyendo dicha placa bipolar.

Una pila de combustible es un dispositivo electroquímico que permite convertir la energía química en energía eléctrica a partir de un carburante, generalmente hidrógeno, y de un comburente, oxígeno o un gas que contiene oxígeno tal como el aire, siendo el único producto de la reacción agua acompañada de una emisión de calor y de una producción de electricidad.

En el seno de la pila de combustible, la reacción química global resultante de las reacciones que se producen en los electrodos es la siguiente:

H2 + ½ O2 H2O

Una pila de combustible puede ser utilizada para suministrar energía eléctrica a cualquier dispositivo tal como por ejemplo un ordenador, un teléfono móvil pero puede ser igualmente utilizada para asegurar la tracción de un vehículo automóvil y/o la alimentación de los dispositivos eléctricos contenidos en un vehículo.

Una pila de combustible puede estar constituida por una o varias células.

En referencia a la figura 1 que representa una célula de pila de combustible del arte anterior, dicha célula 1 incluye un electrólito conductor protónico 2 que es tomado en sándwich entre dos electrodos porosos catódico 3 y anódico 4 y que asegura la transferencia electrónica entre estos dos electrodos 3, 4.

A este efecto, el electrólito 2 puede ser una membrana de polímero intercambiadora de protones de espesor de 20 a 200 μm, siendo la pila resultante una pila del tipo PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) .

El conjunto constituido por el electrólito 2 y los dos electrodos 3, 4 forma una placa de ensamblaje membrana electrodos (AME) 5 que está en sí misma tomada en sándwich entre unas primeras 6 y segundas 7 placas bipolares que aseguran la colecta de la corriente, la distribución del comburente y del carburante en los electrodos y la circulación del fluido caloportador.

Las placas bipolares 6, 7 habitualmente utilizadas están realizadas de materiales que ofrecen buenas propiedades de resistencia a la corrosión y de conductividad eléctrica, tales como materiales con base de carbono como el grafito, el grafito impregnado de polímero o unas hojas de grafito flexible creado mediante fabricación o moldeo.

Es igualmente posible, para realizar las placas bipolares 6, 7, utilizar materiales metálicos tales como aleaciones a base de titanio, aluminio y hierro como los aceros inoxidables. En este caso, la creación de la placa bipolar puede ser obtenida mediante embutición o estampado de las hojas de débil espesor.

Con el fin de asegurar la distribución del comburente, del carburante y del fluido caloportador en todas las células constitutivas de la pila, la segunda placa bipolar 7 incluye seis perforaciones 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f en las que tres de entre sí 7a, 7b, 7c están regularmente dispuestas sobre el borde superior 8 de esta placa 7, las otras tres perforaciones 7d, 7e, 7f están, de forma simétrica, igualmente regularmente dispuestas sobre el borde inferior 9 de esta placa 7.

La primera placa bipolar 6 incluye las mismas perforaciones dispuestas en los mismos sitios que en la placa bipolar 7, la figura 1 únicamente deja aparecer las tres perforaciones superiores 6a, 6b, 6c y una perforación inferior 6d.

Las perforaciones 6a, 6b, 6c, 6d de la primera placa bipolar 6 y las perforaciones 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f de la segunda placa bipolar 7 deben estar alineadas para asegurar la circulación de los fluidos a través de todas las células constitutivas de la pila durante el ensamblaje de esta pila.

A nivel de cada una de estas perforaciones 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f, 6a, 6b, 6c, 6d, un conducto no representado permite alimentar de o recuperar el fluido caloportador, el carburante o el comburente que circula por la superficie de la placa 6, 7 o en la placa 6, 7 en unos canales o circuitos de circulación de fluidos previstos a este efecto y que serán detallados más adelante.

Haciendo referencia a la figura 2, que es un corte según la línea II-II de la figura 1, los electrodos catódico 3 y anódico 4 incluyen cada uno una capa activa respectiva 10, 11 que son la zona de reacciones respectivamente catódica y anódica y una capa de difusión respectiva 12, 13 intercalada entre la capa activa 10, 11 y la placa bipolar correspondiente 7, 6, pudiendo ser ésta capa de difusión 12, 13 un sustrato en papel o un tejido de carbono.

La capa de difusión 12, 13 asegura la difusión homogénea de los reactivos tales como el hidrógeno y el oxígeno que circulan en los canales respectivos 14, 15 formados por unas ranuras realizadas en las placas bipolares respectivas 7, 6.

De esta forma, la capa activa 11 del electrodo anódico 4 es alimentada con hidrógeno a través de la capa de difusión 13 y la reacción que se produce en esta capa activa 11 es la siguiente:

H2 2 e- + 2H+ (1)

Del mismo modo, la capa activa 10 del electrodo catódico 3 es alimentada con oxígeno a través de la capa de difusión 12 y la reacción que se produce a nivel de esta capa activa 10 es la siguiente:

½ O2 + 2H+ + 2e- H2O (2)

Estas reacciones son posibles por la presencia de la membrana conductora 2 que asegura la transferencia protónica desde la capa activa 11 del ánodo 4 hacia la capa activa 10 del cátodo 3.

Por la naturaleza de los fluidos utilizados y las reacciones electroquímicas en juego, la estanqueidad es un punto importante durante la concepción de una pila de combustible.

Haciendo referencia a la figura 3 que representa una célula de pila de combustible del arte anterior, esta estanqueidad puede ser obtenida por la presencia de una junta 16, 17 interpuesta entre las placas bipolares respectivas 6, 7 sensiblemente rectangulares y la placa de ensamblaje membrana electrodos 5 constituida por una zona activa 19, zona de reacciones electroquímicas y por un marco 18 que rodea esta zona activa 19.

Haciendo referencia a la parte anódica de la célula 1 representada en esta figura, durante el ensamblaje de la pila, la junta 17 se encastra en una ranura periférica conjugada sensiblemente rectangular 20 que rodea los canales de distribución de los reactivos 15 y que está realizada en la placa bipolar 6.

Durante esta misma operación de ensamblaje, el marco 18 de la placa de ensamblaje 5, toma apoyo sobre toda la periferia de la placa bipolar 6 y comprime la junta correspondiente 16 lo que permite, de esta forma, que la estanqueidad entre la parte anódica y el exterior de la pila esté asegurada.

Por supuesto, de forma simétrica en la parte catódica de la célula 1, la placa bipolar 7 incluye igualmente una ranura periférica que recibe la junta 17 y rodea los canales de distribución de comburente de esta placa 7 que no están ni representados ni referenciados por razones de visualización en esta figura. Se comprende por tanto que la ranura 21 y los canales de distribución 14’ de la placa bipolar 7 que están referenciados y representados pertenecen a la parte anódica de la célula próxima a la célula 1.

Es igualmente posible prever que la ranura 20 y su ranura correspondiente en la placa bipolar de la parte catódica sea de forma circular y en este caso, la junta 16 utilizada es una junta torica.

Según el arte anterior, la junta 16 puede igualmente ser una junta plana o serigrafíada y en este caso, las piezas de la célula y en particular las placas bipolares 6, 7 tienen forma adaptada.

Puede igualmente estar previsto que la junta esté posicionada antes del montaje en la placa de ensamblaje membrana electrodo 5 en lugar de estar posicionada sobre la placa bipolar, en este caso igualmente las piezas que constituyen la célula están adaptadas.

En el dispositivo del arte anterior representado en la figura 3, es por tanto necesario que las placas bipolares 6, 7 sean realizadas pero igualmente que la junta responda a criterios estrictos en términos de resistencia principalmente con el fin de asegurar la estanqueidad de la pila. El documento WO 2004/102712 describe una pila de combustible donde la estanqueidad es debida a la presencia de rebordes en relieve. El documento WO99/57777 describe una pila de combustible incluyendo una junta con forma de banda de acero.

En este contexto, el invento tiene como objetivo principalmente una placa bipolar de pila de combustible permitiendo paliar los inconvenientes anteriormente citados.

A este efecto, la placa bipolar 22 del... [Seguir leyendo]

1. Placa bipolar (22) de pila de combustible, caracterizada porque incluye al menos un reborde en relieve , (47, 23a, 33a, 40a, 27a, 35a, 41a, 23a) en al menos una de sus caras (51) de manera que asegure la estanqueidad de al menos un circuito de fluido de dicha pila de entre los circuitos de entrada de comburente, de carburante y de fluido caloportador y los circuitos de colecta de comburente, carburante y fluido caloportador, dichos circuitos están formados por la superposición de aberturas realizadas en dicha placa (22) formando respectivamente medio de entrada y de salida de comburente y de carburante (33, 40, 35, 41) y de aberturas que forman respectivamente medio de entrada y de salida de fluido caloportador (23, 27) durante el ensamblaje de las células (1) constitutivas de la pila de combustible y caracterizada porque al menos un reborde en relieve (47, 33a, 35a, 40a, 41a, 23a, 24a, 27a, 28a) soporta todo o parte de una junta (54) que es una banda de acero o que está serigrafía.

2. Placa bipolar según la reivindicación 1, caracterizada porque incluye al menos un reborde periférico en relieve (47) que rodea las aberturas formando un medio de entrada y de salida de reactivos (33, 40, 35, 41) y las aberturas que forman en medio de entrada y de salida de fluido caloportador (23, 27) .

3. Placa bipolar según una cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizada porque al menos un reborde en relieve (23a, 27a, 33a, 40a, 41a, 35a) rodea al menos una abertura de entre las aberturas que forman medio de entrada y de salida de reactivos (33, 40, 35, 41) y las aberturas que forman medio de entrada y de salida de fluido caloportador (23, 27) de manera que asegure la estanqueidad del circuito de fluido correspondiente durante el ensamblaje de las células constitutivas de la pila.

4. Placa bipolar según la reivindicación 3, caracterizada porque un reborde en relieve (23a, 27a, 33a, 40a, 41a, 35a) rodea cada abertura formando medio de entrada y de salida de reactivos (33, 40, 35, 41) y cada abertura forma medio de entrada y de salida de fluido caloportador (23, 27) de manera que asegure la estanqueidad de todos los circuitos de fluidos durante el ensamblaje de las células constitutivas de la pila.

5. Placa bipolar según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, caracterizada porque el reborde periférico en relieve (47) alcanza por al menos una abertura que forma medio de entrada o de salida de reactivos (33, 40, 35, 41) o de una abertura que forma medio de entrada o de salida de fluido caloportador (23, 27) la parte más externa de dicho reborde en relieve (23a, 24a, 27a, 28a) .

6. Placa bipolar (22) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el reborde periférico en relieve (47) de la placa (22) y los rebordes en relieve (33a, 35a, 40a, 41a, 23a, 24a, 27a, 28a) de las aberturas que forman medios de entrada y salida de los reactivos (33, 35, 40, 41) y del fluido caloportador (23, 24, 27, 28) están cubiertas por una junta (54) .

7. Placa bipolar según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque dicha placa es de material metálico.

8. Placa bipolar según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque dicha placa es de grafito expandido o de composite cargado.

9. Placa bipolar (22) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los rebordes en relieve (47, 33a, 35a, 40a, 41a, 23a, 24a, 27a, 28a) se obtienen mediante embutición o estampado.

10. Célula de pila de combustible, caracterizada porque incluye al menos una placa de ensamblaje membrana electrodos (50) que incluye principalmente una zona activa (52) sede de reacciones anódicas y catódicas y que es tomada en sándwich entre dos placas bipolares según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9.

11. Célula según la reivindicación 10, caracterizada porque la placa de ensamblaje membrana electrodos (50) incluye un marco periférico (53) que, durante el ensamblaje de dicha célula, toma apoyo sobre al menos un reborde en relieve (47, 33a, 35a, 40a, 41a, 23a, 24a, 27a, 28a) de la placa bipolar (22) .

12. Célula según la reivindicación 11, caracterizada porque la placa de ensamblaje membrana electrodos (50) incluye un marco periférico (53) que, durante el ensamblaje de dicha célula, toma apoyo sobre todos los rebordes en relieve (47, 33a, 35a, 40a, 41a, 23a, 24a, 27a, 28a) de la placa bipolar (22) .

13. Célula según una cualquiera de las reivindicaciones 11 y 12, caracterizada porque el marco (53) de la placa de ensamblaje membrana electrodos (50) es compatible mecánicamente con la placa bipolar (22) .

14. Pila de combustible incluyendo al menos una célula según una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 13.