PLACA PARA PILAS DE COMBUSTIBLE CON CÁMARA DE DISTRIBUCIÓN DE REACTIVO.

Placa para pilas de combustible con cámara de distribución de reactivo.

Placa con cámara de distribución de reactivo para pila de combustible caracterizada porque está dividida en unidades básicas capaces de funcionar como placa anódica o catódica de una pila independiente, estando dichas unidades básicas conectadas eléctricamente en paralelo a través del cuerpo de la propia placa. La división en unidades básicas favorece la distribución homogénea de los reactivos a lo largo de toda la superficie del ánodo y el cátodo.

Placa para pilas de combustible con cámara de distribución de reactivo.

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a placas para pilas de combustible, a pilas de combustible que comprenden al menos una de tales placas y particularmente a las denominadas pilas de combustible de membrana polimérica de intercambio de protones (PEMFC y DMFC) .

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La pila de combustible de membrana polimérica de intercambio protónico (PEMFC) es una de las tecnologías más ampliamente investigada. Su capacidad de funcionamiento a baja temperatura, su alta densidad de potencia, la rapidez de puesta en marcha, robustez las bajas emisiones que produce, son algunas de las ventajas que ofrece para su uso en múltiples aplicaciones: vehículos de transporte, generación estacionaria, aplicaciones portátiles, etc. Una pila de combustible es un dispositivo electroquímico de conversión energética que produce electricidad directamente de combustibles por combinación electroquímica de los mismos con un oxidante. Cada pila consta de dos electrodos, un ánodo y un cátodo separados por un electrolito. El combustible (hidrógeno o metanol) se suministra al ánodo, donde ocurre la reacción de oxidación, liberando electrones al circuito externo. El oxidante se suministra al cátodo, donde llegan los electrones del circuito externo, y ocurre la reacción de reducción. El flujo de electrones, desde el ánodo al cátodo a través del circuito externo, produce corriente eléctrica. En las pilas de combustible tipo PEM, el electrolito es una membrana sólida que permite el transporte de protones desde el ánodo hasta el cátodo y está constituida por un polímero de ácido perfluorosulfónico hidratado tal como Nafion®, que se coloca entre dos electrodos porosos a los que se incorpora un electro-catalizador. El paquete compuesto por el electrodo poroso o GDL (Gas Diffusion Layer) (ánodo) , capa de catalizador (ánodo) , membrana polimérica, capa de catalizador (cátodo) y electrodo poroso o GDL (cátodo) , se denomina MEA (Membrane Electrode Assembly) . Las pilas de combustible individuales pueden estar combinadas en conjuntos (stacks) que, debidamente interconectados, proporcionan la cantidad de energía requerida. El rendimiento de una PEMFC depende de múltiples factores, entre los que se incluyen las condiciones de operación, los fenómenos de transporte en el interior de la pila, la cinética de la reacción electroquímica, el ensamblaje de la MEA y la geometría de los canales de flujo. Los canales de flujo en una PEMFC, que se utilizan para aportar el combustible (hidrógeno o metanol) al ánodo y eloxígeno al cátodo, están integrados en las placas. Éstas son uno de los componentes clave de una pila de combustible, ya que realizan diferentes funciones esenciales para el buen funcionamiento del sistema: servir de soporte mecánico al stack, mantener separados los diferentes reactantes, distribuir los reactantes a lo largo de la superficie catalizadora, conducir la corriente eléctrica generada o gestionar el agua y el calor producidos en el interior de la pila. Algunas de estas funciones están más asociadas a las propiedades fisicoquímicas del material. Otras, en cambio, están íntimamente ligadas a la geometría de los canales de flujo. Dado que la membrana de intercambio protónico sólo puede operar en presencia de agua líquida, es de vital importancia conseguir y mantener un nivel de hidratación de la membrana homogéneo y suficiente como para que la conductividad protónica no se vea disminuida y, a la vez, que dicho nivel de agua líquida no supere un máximo que se traduzca en la aparición del efecto denominado “flooding”. La evacuación del calor generado durante la operación de la pila de combustible es otro punto clave para asegurar el buen funcionamiento de la misma. Una distribución homogénea de la temperatura sobre la MEA y que los valores de la misma no superen los 100 ºC son condiciones indispensables para asegurar un funcionamiento óptimo del sistema y prolongar la vida útil de la membrana. Un diseño apropiado de los canales de flujo de una PEMFC permitirá potenciar las velocidades de transporte de reactivo en el propio canal así como en la GDL (Gas Diffusion Layer) antes de alcanzar la capa catalítica, donde tiene lugar la reacción. También será beneficioso en la gestión de agua del cátodo, con el fin de que el exceso se elimine de forma adecuada, manteniendo la membrana hidratada. Además, una distribución homogénea del combustible en el canal de flujo, proporcionará a su vez, una densidad de corriente homogénea en todo el área reactiva y, por tanto, una distribución uniforme de la temperatura, que ocasionará menos tensiones mecánicas en la MEA, prolongando la vida útil de la PEMFC. En los últimos años se han analizado multitud de diseños diferentes para los canales de flujo de las placas (tipo pin, canales paralelos en serie, canal en forma de serpentín, canales interdigitados, canales en espiral, canales integrados con canales de refrigeración, etc.) . Una revisión de los diferentes diseños para los canales de flujo en placas puede encontrarse en Xianguo Li, Imran sabir, Review of bipolar plates in PEM fuel cells: Flow-field designs, Journal of Hydrogen Energy 30 (2005) 359-371. Muchos de los diseños allí comentados no permiten una distribución homogénea de la concentración de los reactivos sobre las capas catalíticas, lo que se traduce en un funcionamiento desigual del sistema a lo largo de la MEA. Aunque el coste total de fabricación de los diferentes elementos que componen una pila de tipo PEM se ha ido reduciendo paulatinamente a lo largo de los últimos años, el coste de las MEAs representa casi el 70% del coste total de un stack (J. Sinha, S. Lasher, Y. Yang, Direct Hydrogen PEMFC Manufacturing Cost Estimation for Automotive Applications, DOE Annual Merit Review, Arlington, VA, May 21, 2009) , por lo que la vida útil de la MEA es una variable importante sobre la que se puede actuar para aumentar el rendimiento global del sistema.

Una distribución inhomogénea de los reactivos sobre toda la MEA provoca un funcionamiento desigual a lo largo de la misma y la aparición de problemas asociados, como variación en la conducción protónica de la membrana, tensiones mecánicas debidas a gradientes de temperatura o inutilización de zonas de la MEA, reduciéndose la vida útil de la misma.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La invención tiene por objeto paliar los problemas técnicos citados en el apartado anterior. Para ello, propone una placa con cámara de distribución de reactivo para pila de combustible que está dividida en unidades básicas capaces de funcionar como placa anódica o catódica de una pila independiente, estando dichas unidades básicas conectadas eléctricamente en paralelo a través del cuerpo de la propia placa. Dicha placa comprende un anverso y un reverso provistos de orificios de entrada del reactivo y orificios de salida del reactivo residual, donde el anverso comprende además una pluralidad de cámaras de distribución comunicadas con el orificio de entrada y una pluralidad de cámaras de recogida comunicadas con el orificio de salida, el reverso comprende canales de flujo para la distribución del reactivo sobre la membrana de la pila y conductos de inyección y de extracción que comunican el anverso con el reverso y delimitan cada unidad básica. De preferencia, el número de unidades básicas es cuatro. También preferentemente, los orificios de entrada y salida están comunicados mediante canales de intercomunicación con las cámaras de distribución y de recogida respectivamente. Opcionalmente, tanto el anverso como el reverso disponen de orificios alrededor de las unidades básicas para la conducción de fluido refrigerante. Los canales de flujo pueden tener una configuración simétrica y están separados entre sí por líneas de obstáculos y huecos dispuestos a tresbolillo. Los canales de distribución y recogida están preferentemente separados por paredes sólidas que evitan la mezcla de las corrientes de entrada y salida. La placa de la invención es particularmente útil para la fabricación de pilas tipo PEM.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña la siguiente descripción de un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo se ha representado lo siguiente:

Figura 1. es un alzado y vista isométrica del anverso y reverso de la placa de acuerdo con la invención.

Figura 2. es una vista detallada de una de las unidades básicas en las que se divide la placa de la invención.

Figura 3. es una representación...

1. Placa con cámara de distribución de reactivo para pila de combustible caracterizada porque está dividida en unidades básicas capaces de funcionar como placa anódica o catódica de una pila independiente, estando dichas unidades básicas conectadas eléctricamente en paralelo a través del cuerpo de la propia placa.

2. Placa con cámara de distribución de reactivo para pila de combustible según la reivindicación 1 caracterizada porque comprende un anverso y un reverso provistos de orificios de entrada del reactivo (13) y orificios de salida del reactivo residual (11) , donde el anverso comprende además una pluralidad de cámaras de distribución (31) comunicadas con el orificio de entrada (13) y una pluralidad de cámaras de recogida (24) comunicadas con el orificio de salida (11) , el reverso comprende canales de flujo (50) para la distribución del reactivo sobre la membrana de la pila, y conductos de inyección (40) y de extracción (41) que comunican el anverso con el reverso y delimitan cada unidad básica.

3. Placa con cámara de distribución de reactivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizada porque el número de unidades básicas es cuatro.

4. Placa con cámara de distribución de reactivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizada porque los orificios de entrada (13) y salida (11) están comunicados mediante canales de intercomunicación (30, 20) con las cámaras de distribución (31) y de recogida (24) respectivamente.

5. Placa con cámara de distribución de reactivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizada porque tanto el anverso como el reverso disponen de orificios (9, 10) alrededor de las unidades básicas para la conducción de fluido refrigerante.

6. Placa con cámara de distribución de reactivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizada porque los canales de flujo tienen una configuración simétrica y están separados entre sí por líneas de obstáculos y huecos dispuestos a tresbolillo.

7. Placa con cámara de distribución de reactivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizada porque los canales de distribución y recogida están separados por paredes sólidas (117) que evitan la mezcla de las corrientes de entrada y salida.

8. Pila de combustible que incorpora un conjunto de placas según cualquiera de las reivindicaciones anteriores colocadas en serie para formar un stack, y donde cada una de las placas dispone de conexiones eléctricas adaptadas para la interconexión de las mismas.

9. Pila de combustible según la reivindicación 8 caracterizada porque comprende juntas de estanqueidad (202) y tapas terminales (201) a cada lado del conjunto de placas.

10. Uso de la placa según reivindicaciones 1 a 7 para la fabricación de una pila de combustible tipo PEM.