Pila de combustible.

Pila de combustible que comprende un electrodo catódico (2), que comprende a su vez una capa de catalizador (4),

un colector de corriente (6), una capa difusora de gas (5) intercalada entre la capa de catalizador y el colector de corriente, y una placa (7) dispuesta en contacto con el colector de corriente (6) y dotada de orificios pasantes, un electrodo anódico (3), que comprende una capa de catalizador (8), un colector de corriente, una capa difusora de gas (9), intercalada entre la capa de catalizador y el colector de corriente, y una placa distribuidora de gas dispuesta en contacto o integrada con el colector de corriente, y un electrolito de membrana polimérica (1) intercalado entre la capa de catalizador del cátodo (4) y la capa de catalizador del ánodo (8). La placa distribuidora de gas permite la evacuación del agua del ánodo de forma pasiva a través de orificios pasantes (15) sellados al paso de gas por medio de una película hidrófila (11).

Pila de combustible.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se encuadra en el campo de las pilas de combustible, y en particular se refiere a una pila de combustible de membrana polimérica.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Las pilas de combustible son dispositivos capaces de convertir directamente la energía de un combustible (hidrógeno, metanol, gas natural...) en electricidad y calor. Son los dispositivos más eficientes que se conoce para esta conversión, por lo que su utilización en aplicaciones eléctricas es del mayor interés, incluyendo sistemas estacionarios, automóviles eléctricos o aplicaciones portátiles. En este último tipo de aplicaciones, las pilas de combustible pueden dar lugar a mejoras en las prestaciones, principalmente en lo referente a un incremento de la autonomía en dispositivos electrónicos, tales como teléfonos móviles, ordenadores y similares, así como en aplicaciones médicas portátiles y/o implantables, como ayudas auditivas cocleares, bombas de insulina, marcapasos y desfibriladores.

Para las aplicaciones portátiles (teléfonos, aplicaciones médicas, ordenadores...) pueden proponerse diferentes tipos de pila de combustible. Las más estudiadas hasta ahora son las pilas que funcionan con combustibles líquidos, como las de metanol, etanol y ácido fórmico. La ventaja principal de este tipo de pilas de combustible es que el combustible líquido da lugar a una alta densidad de energía fácil de almacenar. Por otro lado, dichas pilas de combustible sufren una considerable reducción del rendimiento en la conversión a electricidad, debido a la dificultad de la reacción anódica (oxidación del combustible) que transcurre con importantes pérdidas por activación. Además, la toxicidad del combustible también puede ser una desventaja, ya que requiere de medidas adicionales para ajustarse a las normativas de seguridad locales.

Otro tipo de pila de combustible que puede considerarse para aplicaciones portátiles es la pila de hidrógeno gaseoso. La utilización del hidrógeno como combustible tiene ventajas tales como una fácil reacción anódica, que transcurre con mínima pérdida de potencial, una combustión completamente limpia, ya que sólo produce agua, y además el hidrógeno no es un combustible tóxico. Todo ello, unido a que existen medios cada vez más capaces para el almacenamiento de hidrógeno, principalmente en forma de hidruros metálicos o compuestos químicos, hace que la pila de hidrógeno sea cada vez más interesante para alimentar dispositivos de pequeño tamaño.

Para la aplicación de las pilas de combustible en dispositivos portátiles es necesario minimizar el peso y volumen del sistema y mantener máxima autonomía y prestaciones. Ello puede conseguirse mediante un diseño adecuado de los electrodos catódico y anódico.

En el cátodo de una pila de combustible para aplicación portátil es conveniente la utilización del aire ambiente por convección natural (“air breathing”) , prescindiendo con ello de elementos auxiliares de ventilación que aumentan las dimensiones del sistema y suponen un consumo energético adicional. El aire entra en este tipo de cátodo impulsado sólo por fuerzas naturales pasivas (convección, difusión) para la reacción electroquímica de reducción de oxígeno. Este tipo de funcionamiento pasivo conlleva dificultades añadidas, como son el aumento de pérdidas óhmicas, por activación, y por transporte del agua producida, que en las pilas convencionales se solventan con sistemas auxiliares para ventilación forzada. Es por ello que el cátodo de una pila pasiva debe tener un diseño que permita el acceso óptimo del aire y la evacuación del agua producida por la reacción de reducción de oxígeno, manteniendo, al mismo tiempo, un buen contacto eléctrico para la extracción óptima de la corriente.

Una reducción adicional en peso y complejidad de la pila de combustible portátil puede lograrse con un diseño del ánodo adecuado. El ánodo debe funcionar en modo cerrado (“dead end”) para evitar emisiones de hidrógeno y maximizar con ello la utilización del combustible. En este modo, la acumulación de agua en el ánodo, proveniente del cátodo por difusión a través de la membrana del electrolito, hace que se requieran habitualmente elementos de apoyo, como válvulas electrónicas para purga periódica, con la consiguiente penalización en consumo y dimensiones del sistema.

Hasta el momento, los estudios dedicados a analizar la configuración del cátodo en pilas poliméricas pasivas operando con hidrógeno en ánodo cerrado son muy escasos, debido a la dificultad que entraña su operación estable en continuo.

En el documento WO2007117212 A2 se describe un dispositivo plano pasivo conformado por varias celdas. Sin embargo no se resuelven las dificultades asociadas a la gestión del agua durante su operación en continuo con demanda de corriente elevada.

En el documento EP2030278 A2 se emplea una bomba electroosmótica como sistema de evacuación del agua del ánodo. Esto confiere a la celda un sistema adicional, con el consiguiente aumento de complejidad y de consumos parásitos.

De modo similar, en el documento US 7799453 B2 se describe para una pila de combustible de metanol la integración en su estructura de una o más bombas electroosmóticas para solventar los problemas de encharcamiento de los electrodos.

En el documento WO 2009010853 A2 se describe una pila de combustible de prestaciones mejoradas operando con hidrógeno en modo de ánodo cerrado. En ella se describe una realización con una disposición de elementos hidrófilos e hidrófobos que permite redistribuir el agua en el ánodo de modo que no dificulte el acceso del combustible a los electrodos aunque no la elimina del compartimento anódico.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención resuelve los problemas mencionados mediante una pila de combustible según la reivindicación 1. En las reivindicaciones dependientes se definen realizaciones preferidas. Ventajas adicionales de la invención serán evidentes a partir de la descripción que sigue.

La pila de combustible de la invención comprende: un electrolito de membrana polimérica conductora de protones e impermeable al paso de gases; un electrodo catódico, que presenta una estructura en capas y comprende

una capa de catalizador catódica,

un colector de corriente catódico,

una capa difusora de gas catódica, estando la capa difusora de gas catódica intercalada entre la capa de catalizador catódica y el colector de corriente catódico, y

una placa de cátodo dispuesta en contacto con el colector de corriente catódico; y un electrodo anódico, que presenta una estructura en capas y comprende una capa de catalizador anódica,

un colector de corriente anódico,

una capa difusora de gas anódica, estando la capa difusora de gas anódica intercalada entre la capa de catalizador anódica y el colector de corriente anódico, y

una placa distribuidora de gas dispuesta o bien en contacto o bien integrada con el colector de corriente anódico; estando el electrolito de membrana intercalado entre la capa de catalizador catódica y la capa de catalizador anódica, comprendiendo el colector de corriente catódico una rejilla metálica conductora, comprendiendo la placa de cátodo una pluralidad de orificios pasantes de ventilación, comprendiendo la placa distribuidora de gas en su cara orientada hacia el electrolito, al menos un canal de circulación para la circulación y distribución de hidrógeno y agua, una pluralidad de orificios pasantes de evacuación realizados sobre el al menos un canal de circulación, y en la cara opuesta una película de material hidrófilo impermeable a gases que ocluye los orificios pasantes de evacuación.

Ventajosamente, la presente invención presenta una pila de combustible en monocelda para aplicaciones portátiles que funciona con hidrógeno como combustible a temperatura ambiente, de forma completamente pasiva, y no requiere la utilización de automatismos de evacuación de agua o de ventilación para su correcto funcionamiento, lo que mejora el rendimiento del sistema generador de electricidad. La alimentación de hidrógeno al ánodo puede realizarse mediante una entrada que conecta el al menos un canal de circulación con el exterior de la pila, permitiendo la conexión con un sistema de suministro de hidrógeno.

En la pila de combustible según la invención, la reacción catódica utiliza oxígeno presente en el aire ambiente mediante convección natural ('air breathing') . Al actuar por convección natural, la pila de la invención no requiere del uso de válvulas de alimentación...

1. Pila de combustible caracterizada porque comprende: un electrolito de membrana polimérica (1) conductora de protones e impermeable al paso de gases; un electrodo catódico (2) , que presenta una estructura en capas y comprende

una capa de catalizador catódica (4) , un colector de corriente catódico (6) , una capa difusora de gas catódica (5) , estando la capa difusora de gas catódica (5) intercalada entre la capa de catalizador catódica (4) y el colector de corriente catódico (6) , y una placa de cátodo (7) dispuesta en contacto con el colector de corriente catódico (6) ; y

un electrodo anódico (3) , que presenta una estructura en capas y comprende una capa de catalizador anódica (8) , un colector de corriente anódico, una capa difusora de gas anódica (9) , estando la capa difusora de gas anódica intercalada entre la capa de catalizador anódica y el colector de corriente anódico, y una placa distribuidora de gas dispuesta o bien en contacto o bien integrada con el colector de corriente anódico; estando el electrolito de membrana (1) intercalado entre la capa de catalizador catódica (4) y la capa de catalizador anódica (8) , comprendiendo el colector de corriente catódico (6) una rejilla metálica conductora, comprendiendo la placa de cátodo (7) una pluralidad de orificios pasantes de ventilación (22) , y comprendiendo la placa distribuidora de gas en su cara orientada hacia el electrolito (1) al menos un canal de circulación (12) para la circulación y distribución de hidrógeno y agua, y una pluralidad de orificios pasantes de evacuación (15) realizados sobre el al menos un canal de circulación (12) , y en su cara opuesta una película (11) de material hidrófilo impermeable a gases que ocluye los orificios pasantes de evacuación (15) .

2. Pila de combustible según la reivindicación 1, caracterizada porque la rejilla metálica del colector de corriente catódico presenta un entramado de hilos sencillo en el intervalo entre 5 y 20 hilos por cm tanto en trama como en urdimbre.

3. Pila de combustible según la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque la rejilla metálica del colector de corriente catódico presenta un diámetro de hilo comprendido en el intervalo de 0, 001 a 0, 05 cm.

4. Pila de combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el colector de corriente catódico (6) presenta una segunda rejilla, dispuesta entre la primera rejilla del colector de corriente catódico y la placa de cátodo (7) , en contacto con la primera rejilla, para incrementar el distanciamiento entre la primera rejilla del colector de corriente catódico y la placa de cátodo (7) .

5. Pila de combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los orificios de ventilación (22) de la placa de cátodo (7) están dispuestos según una distribución cuadrada o hexagonal.

6. Pila de combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los orificios de ventilación (22) de la placa de cátodo (7) proporcionan una apertura de 15 a 50% del tamaño del área activa de la pila.

7. Pila de combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los orificios de ventilación (22) de la placa de cátodo (7) tienen un diámetro comprendido en el intervalo de 1 a 5 mm.

8. Pila de combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el colector de corriente anódico está integrado con la placa distribuidora de gas (10) , siendo la placa anódica distribuidora de gas

(10) eléctricamente conductora y funcionando ella misma como colector de corriente anódico.

9. Pila de combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la placa distribuidora de gas (10) presenta al menos en su cara interna un recubrimiento eléctricamente conductor que actúa como colector de corriente anódico.

10. Pila de combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el colector de corriente anódico comprende una rejilla metálica (21) .

11. Pila de combustible según la reivindicación 10, caracterizada porque la rejilla metálica (21) del colector de corriente anódico presenta un entramado de hilos sencillo en el intervalo entre 5 y 20 hilos por cm tanto en trama como en urdimbre.

12. Pila de combustible según la reivindicación 10 u 11, caracterizada porque la rejilla metálica (21) del colector de corriente anódico es una microrejilla de metal expandido con un grosor de entre 25 y 125 µm.

13. Pila de combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el colector de corriente anódico y/o la rejilla metálica del colector de corriente catódico presenta un recubrimiento conductor e hidrófobo.

14. Pila de combustible según la reivindicación 13, caracterizada porque el recubrimiento conductor e hidrófobo del colector de corriente anódico y/o de la rejilla metálica del colector de corriente catódico están depositados por electropulverización.

15. Pila de combustible según la reivindicación 13 ó 14, caracterizada porque el recubrimiento conductor e hidrófobo del colector de corriente anódico y/o de la rejilla metálica del colector de corriente catódico es una película de oro y/o de negro de carbón o una mezcla de negro de carbón y teflón.

16. Pila de combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la película (11) de material hidrófilo impermeable a gases de la placa distribuidora de gas es de un polímero del ácido perfluorosulfónico.

17. Pila de combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque comprende una placa anódica de fijación (16) adyacente a la cara externa de la placa distribuidora de gas, para el sellado de la película (11) de material hidrófilo impermeable a gases sobre la superficie de la placa distribuidora de gas.

18. Pila de combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la placa de cátodo

(7) y/o la cara interna de la placa distribuidora de gas presentan un recubrimiento hidrófobo.

19. Pila de combustible según la reivindicación 18, caracterizada porque el recubrimiento hidrófobo de la placa de cátodo y/o de la cara interna de la placa distribuidora de gas está depositado por electropulverización.

20. Pila de combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la placa de cátodo

(7) está fabricada de acero, aluminio, alúmina, mullita, materiales basados en fibra de carbono o de un polímero.

21. Pila de combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la capa de catalizador anódica y/o la capa de catalizador catódica está depositada por electropulverización sobre el electrolito de membrana (1) .

FIG. 1 FIG. 2 FIG. 3

FIG. 4 FIG. 5

FIG. 6 FIG. 7

FIG. 8 FIG. 9