PLACA DE PILA DE COMBUSTIBLE CON GEOMETRÍA DE FLUJO EN FORMA DE "ESPINA DE PEZ".

Placa de pila de combustible con geometría de flujo en forma de "espina de pez".

La placa de pila de combustible, que se utiliza generalmente para distribuir de forma homogénea los fluidos reactantes sobre las áreas de reacción química correspondientes a las capas catalíticas (electrodos), presenta en cada una de estas áreas de reacción química una geometría de flujo en forma de "espina de pez" que comprende canales delimitados por unos nervios, dispuestos de tal forma que el canal de entrada se bifurca en canales que ocupan dos estructuras laberínticas simétricas y que terminan confluyendo en un canal de salida, de manera que se optimizan las reacciones electroquímicas responsables de la generación de electricidad y adicionalmente, se facilita la salida a los productos de las reacciones.

PLACA DE PILA DE COMBUSTIBLE CON GEOMETRÍA DE FLUJO EN

FORMA DE "ESPINA DE PEZ"

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OBJETO DE LA INVENCIÓN

El objeto principal de la presente invención es una placa de pila de

combustible con geometría de flujo en forma de "espina de pez", que se

1 o utiliza, en general, para distribuir homogéneamente los gases reactantes

sobre las capas catalíticas (electrodos) de las pilas de combustible, de

cara a optimizar las reacciones electroquímicas responsables de la

generación de electricidad y adicionalmente, para facilitar la salida a los

productos de las reacciones.

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Las aplicaciones en las que pueden emplearse estas pilas de

combustible son muy variadas, abarcando desde las portátiles con

micropilas como cargadores de móviles, suministro de energía para

ordenadores portátiles entre otros, hasta las estacionarias en unidades de

2 o alimentación ininterrumpida o de back-up, unidades de calor y potencia

para casas y urbanizaciones, etc., pasando por las móviles (automóviles,

sillas de rueda, vehículos especiales, etc.) .

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

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En general, la pila de combustible es un sistema de producción de

energía basado en la descomposición del combustible en el ánodo,

gracias a la presencia de un catalizador, en electrones e iones. Un medio

electrolítico separa el ánodo del cátodo, y permite únicamente el paso de

3 o los iones a través del mismo, impidiendo que los electrones puedan

atravesarlo. Cuando la corriente electrónica se hace circular por el exterior

de la pila, el dispositivo actúa como generador de electricidad. Finalmente,

electrones e iones se recombinan en el cátodo.

La pila de combustible está formada por un ensamblaje o apilamiento

de celdas de combustible (fue// ce// stack) , en un número suficiente para

5 asegurar la producción de electricidad. La estructura física básica de una

celda elemental comprende una capa de electrolito en contacto con una

capa catalítica a cada lado, que actúan como ánodo y cátodo

respectivamente. A este conjunto se le denomina ensamblaje de

membrana y electrodos, o MEA. Las pilas de combustible comprenden

1 o además capas difusoras de gases y placas bipolares a ambos lados de la

MEA. Además, son también necesarios una serie de elementos

adicionales como son las placas terminales, las juntas y sellos, los tornillos

y tuercas que aseguran la estanqueidad necesaria en las diferentes zonas

de la pila, así como otros elementos de conexión y aislamiento.

15 Las placas de pilas de combustibles son elementos mecánicos que

delimitan la celda, facilitan la entrada de los diferentes gases que

reaccionan así como la salida de los productos de las reacciones en cada

uno de los electrodos, y es el elemento sobre el que se realizan las

conexiones del circuito eléctrico exterior.

2 o La placa de pila de combustible incorpora un área de reacción

química que se encuentra en contacto con la parte del electrodo

correspondiente a través de la capa difusora. Las áreas de reacción

química presentan geometrías de flujo formada por canales delimitados

por nervios, por los que se distribuyen los fluidos reactantes que se van a

2 5 ir consumiendo en el electrodo correspondiente.

En la actualidad, y como referencia al estado de la técnica, debe

mencionarse que existe una gran variedad de diseños en placas para pilas

de combustible que intentan resolver los problemas vigentes: elevado

coste, complejidad de los procesos de mecanizado o sinterizado, precisión

3 o requerida en la conformación de las placas bipolares para el correcto

eléctrica de algunos materiales conductores usados en las placas

bipolares, la obstrucción de una parte importante de la superficie activa del

electrodo por los contactos eléctricos, entre las placas bipolares y los

electrodos, que dificultan el acceso de gas a los puntos de catálisis, el

5 peso excesivo de los componentes pasivos de la pila (bipolares, prensa de

cerramiento, dispositivos de alimentación, conexión, refrigeración y

soporte, etc.) .

Son conocidos múltiples tipos de placas para pilas de combustibles,

como son, por ejemplo: US 143967P (Teledyne Energy System, lnc.)

1 o 1999, US 3 801 37 4 (2000) , GB 1 135 076 (2001 ) , US 4 117 065 (2002) ,

US 4 360 485 (2002) , DE 103 43 267 (Martin GMBH) 2003, US 6 764 786

B2 (Aaron W. Morrow) 2004, FR 2 81 O 795 A 1 (2004) , ES 2 235 915 T3

(Braun, James, C.) 2005, ES P200602547 (Barreras T. Félix) 2006, ES 2

280 641 T3 (Muller, Alwin) 2007, US 7419739 (Lai; Yeh-Hung) 2008.

15 En esos diferentes registros patentados se reflejan variantes en sus

diseños y composición para la fabricación de placas, sin embargo debe

señalarse que, por parte del peticionario, se desconoce la existencia de

alguno que presente las características técnicas, estructurales y de

configuración semejante a las que describe el sistema objeto de la

2 o invención.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La placa de pila de combustible con geometría de flujo en forma de

2 5 "espina de pez" es un sistema que proporciona una adecuada difusión de

los diferentes gases reactivos que se van a ir consumiendo en las

respectivas áreas activas de los electrodos y facilita la salida a los

productos de las reacciones.

Con el fin de realizar estas funciones, el área de reacción química

3 o de la placa objeto de la invención presenta unas canalizaciones dispuestas

canales simétricamente en dos estructuras laberínticas a ambos lados de la diagonal de la misma área de reacción química, confluyendo todos los canales de las dos estructuras laberínticas en un único canal de salida. Para identificar esta geometría de flujo se le ha dado el nombre de "espina de pez" (herríngbone, en inglés) , por su similitud de forma con el espinazo de un pez. Se ha constatado experimentalmente que esta geometría de flujo presenta ventajas cuando se compara con otras utilizadas comúnmente en pilas de combustible comerciales.

El área de reacción química puede ser cuadrangular, presentando los canales de entrada y salida en los dos extremos opuestos de una misma diagonal, o también, puede ser circular o elíptica, presentando los canales de entrada y salida en los dos extremos opuestos de un mismo eje de simetría tal que forme un ángulo variable, entre 11 oo y 150°, con los canales en los que se ramifica inicialmente.

En general, un área de reacción química con geometría de flujo en forma de "espina de pez" comprende unos canales delimitados por unos nervios, dispuestos de tal forma que el canal de entrada se bifurca en dos 2 o canales paralelos que a su vez se van subdividiendo, ocupando las dos estructuras laberínticas simétricas, las cuales pueden ser descritas como estructuras laberínticas compuestas por canales y nervios, circulando paralelos a lo largo de sectores con configuración acodada de 90º y doblemente acodada de 180º para terminar por confluir en un canal de salida. La geometría de flujo en forma de "espina de pez" tiene las siguientes características generales:

• el ancho de los canales, su número y el espesor de los nervios dependen del área activa de electrodo a cubrir, la cual 30 determina la superficie del área de reacción química de la placa.

• el sentido de circulación de los fluidos reactantes se fijará de acuerdo con las aplicaciones específicas, al igual que la distancia a recorrer por los gases.

Se ha comprobado que la geometría de flujo de "espina de pez"

o proporciona un balance adecuado de los campos de presión y velocidad impuestos por la geometría de flujo a la circulación de los gases, lográndose unos campos homogéneos y una caída de presión tal que facilita a la vez la distribución uniforme de los fluidos reactantes (combustible y oxidante) y el arrastre del agua formada en los cátodos.

La placa objeto de la invención puede incorporar también una serie elementos típicos en las placas de pilas de combustible como por ejemplo:

• rebajes realizados en la parte trasera de la placa, para facilitar el suministro y extracción...

1. Placa de pila de combustible caracterizada porque al menos una de las dos caras de la placa, bien la cara principal (11, 15, 20) o bien la cara 5 posterior (12, 16, 21 ) , incorpora al menos un área de reacción química (1) con geometría de flujo en forma de "espina de pez" consistente en un canal de entrada (8) que se bifurca en dos canales (5) paralelos, separados por un nervio central (23) que determina dos estructuras laberínticas (3, 4) simétricas, formadas por un conjunto de canales (5)

o paralelos que recorren • sectores con configuración doblemente acodada de 180º (24) , entre los que se pliegan con orientación paralela al eje de simetría, volviendo a plegarse para entrar en el siguiente sector con la misma disposición, repitiendo esta secuencia sucesivamente, y

• un sector con configuración acodada de 90º (25) , el cual finaliza o inicia la estructura laberíntica según el sentido de circulación de los fluidos reactantes desde el canal de entrada (8) hacia el canal de salida (9) o viceversa,

o confluyendo en un canal de salida (9) que evacua los fluidos excedentes.

2. Placa de pila de combustible según la reivindicación 1 caracterizada porque el área de reacción química (1) es cuadrangular y los canales de entrada (8) y salida (9) se disponen en los dos extremos opuestos 2 5 de una misma diagonal, que constituye el nervio central (23) .

3. Placa de pila de combustible según la reivindicación 1 caracterizada porque el área de reacción química (1) es circular o elíptica y los canales de entrada (8) y salida (9) se disponen en los dos extremos 3 o opuestos de un mismo eje de simetría.

4. Placa de pila de combustible según la reivindicación 1 caracterizada

porque la cara principal (11) y la cara posterior (12) , incorporan áreas de reacción química (1 ) , constituyendo una placa bipolar.

5 5. Placa de pila de combustible según la reivindicación 1 caracterizada porque la cara principal (15, 20) presenta el área de reacción química (1 ) , mientras que la cara posterior (16, 21) presenta canales para la circulación del fluido refrigerante (17) , constituyendo una placa monopolar refrigerada.

1 o 15 2 o 6. Placa de pila de combustible según la reivindicación 5 caracterizada porque la cara posterior (21) incorpora un alojamiento perimetral (22) para la colocación de una junta tórica que evite el escape del fluido refrigerante al unir ésta placa con otra para formar una placa bipolar refrigerada. 7. Placa de pila de combustible según la reivindicación 1 caracterizada porque la cara posterior (12, 16, 21) comprende un rebaje de entrada (18) y un rebaje de salida (19) , que comunican con el canal de entrada (8) , para facilitar el suministro del reactante, y con el canal de salida (9) , para facilitar la evacuación de los excedentes respectivamente.

2 5 8. Placa de pila de combustible según la reivindicación 1 caracterizada porque al menos una de las dos caras de la placa, bien la cara principal (11, 15, 20) o bien la cara posterior (12, 16, 21 ) , incorpora orificios para alojar tornillos de apriete (13) .

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