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 5 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 10 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 15 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 20 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 25 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 30 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 35 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 40 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, 45 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 50 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 55 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.
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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 esquemática de una pila de combustible que incorpora la invención.
Figura 4. es una vista detallada de los diferentes elementos que conforman una pila que incorpora la placa de la invención.
Figura 5. es una vista detallada de la pila de la figura 4 en funcionamiento.
Figura 6. son ejemplos de posibles configuraciones de los canales de flujo según la invención.
Figura 7. es una vista detallada de la pila que incorpora la invención y el esquema eléctrico equivalente.
Figura 8. es un esquema de montaje de un stack de varias monoceldas que incorporan la placa de la invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
La placa de la invención contiene una o más unidades básicas que, como puede apreciarse en la Fig. 2, constan de cinco zonas: cámara de distribución del reactivo 31, conductos de inyección del reactivo 40, zona de canales de flujo para la distribución del reactivo sobre los electrodos 50, conductos de extracción del reactivo 41 y cámara de recogida 24. Los reactivos (combustible y oxidante) se introducen en la pila a través de las correspondientes cámaras de distribución, que funcionan como pequeños almacenamientos distribuidos por toda la superficie de la pila. Desde estos pequeños almacenamientos, los reactivos se suministran a los canales de flujo a través de los conductos de inyección. En la zona de canales de flujo, los reactivos circulan a través de los mismos, difundiéndose a través de la zona porosa de los electrodos (GDL) y alcanzando la capa catalítica, donde reaccionan. La cámara de distribución de reactivo se sitúa en el anverso de la placa y los canales de flujo en el reverso de la placa, entendiéndose como reverso la parte de la placa que está en contacto con la membrana. Puesto que la placa puede usarse en la parte del ánodo y en la del cátodo, la placa deberá cambiar de orientación cuando se use en una u otra parte de la pila de combustible. En la Fig. 1, a la izquierda se representan el alzado y perspectiva isométrica del anverso de la placa, donde se pueden observar las cámaras de distribución 31 y los conductos de inyección 40 y los conductos de extracción 41 de una placa. En la figura de la derecha se representan el alzado y perspectiva isométrica del reverso de la placa, donde se pueden observar los canales de flujo 50. Una serie de orificios 8 se sitúa en la periferia de la placa como alojamiento de los elementos de sujeción del conjunto (tornillos o similar) . Si la aplicación lo requiriera, el conjunto podría disponer de orificios con diferentes formas (9 y 10) dispuestos alrededor de la zona de canales de flujo para la conducción de algún fluido refrigerante con el fin de regular la temperatura de operación del sistema. En el ejemplo de montaje descrito anteriormente, la entrada del reactivo podría hacerse a ES 2 395 300 A2
través del orificio de entrada 13, de manera que mediante un canal de intercomunicación 30 el reactivo pudiera llenar las cámaras de distribución 31 distribuyéndose de manera homogénea en toda la superficie de la pila. Cada una de estas cámaras de distribución corresponde a una unidad básica que incluye cámara de distribución 31, conductos de inyección 40, canales de flujo 50, conductos de extracción 41 y cámara de recogida 24. La evacuación del reactivo residual desde la cámara de recogida 24 se realiza a través del canal de intercomunicación 20 hacia el orificio de salida 11. Los canales de flujo del ejemplo descrito anteriormente 50 se componen de canales paralelos dispuestos de manera perpendicular al flujo principal del reactivo. En otras puestas en práctica los canales pueden tener otras configuraciones. Dichos canales están separados entre sí por líneas de obstáculos y huecos dispuestos a tresbolillo (Fig. 2) para favorecer la distribución más homogénea posible del reactivo por toda la superficie de la MEA. Cada placa consta, en un ejemplo preferencial, de cuatro unidades como la representada en la figura 2.
Los reactivos (H2 u O2) entran por el orificio de entrada 13 (Fig. 5) . Esta entrada en cada caso estará comunicada mediante un canal de intercomunicación 30 que conduce el reactivo a la cámara de distribución 31. Los números del 1 al 5 indican las sucesivas etapas que realiza el reactivo en su recorrido a través de la placa.
Paso 1. Rellenar la cámara de distribución.
Paso 2. A través de los conductos de inyección 40 el reactivo pasa del anverso al reverso de la placa, a la zona de los canales de flujo.
Paso 3. El reactivo serpentea entre los obstáculos de los canales de flujo 50, entrando en contacto con el catalizador de la MEA.
Paso 4. El reactivo residual, a través de los conductos de extracción 41, retorna al anverso de la placa.
Paso 5. Mediante la cámara de recogida 24, el reactivo sobrante se recoge y conduce a través del canal de intercomunicación 20 al orificio de salida 11.
En un ejemplo de realización la placa presenta unas dimensiones de 80 x 80 mm, con un área reactiva de 25 cm2 repartida en cuatro unidades básicas iguales. Cada una de las unidades básicas contiene una cámara de distribución del reactivo de 784 mm3, cuatro conductos de inyección del reactivo de 0.8 x 12 mm, una zona de canales de flujo para la distribución del reactivo sobre los electrodos de 6 cm2, cuatro conductos de extracción de 0.8 x 12 mm y una cámara de recogida de reactivo sobrante. La zona de canales de flujo se compone de 6 canales paralelos entre sí y perpendiculares a la dirección principal del flujo de 1.2 mm de ancho y 1.2 mm de profundidad, además de dos canales paralelos a los anteriores de 0.6 mm de ancho y 1.2 mm de profundidad dispuestos sobre los conductos de inyección y recogida. En este ejemplo práctico, las líneas de obstáculos están compuestas por nervios colocados a tresbolillo de 1.2 mm de ancho, 3.6 mm de largo y 1.2 mm de profundidad, con separaciones de 1.6 mm en el eje vertical. La placa de la presente invención que se describe en este ejemplo de realización posee un diseño modular que permite que la misma placa sirva independientemente para ser utilizada en la zona anódica y catódica (Fig. 4, 5) . Así mismo, para este ejemplo de realización se ha diseñado una tapa (201) a cada lado del stack para cerrarlo herméticamente siguiendo el mismo criterio de modularidad. De preferencia, la tapa contiene canales de distribución fresados en la cara interna, con el único objeto de ampliar el volumen de reactivo circulante. Entre la placa y la tapa se consigue así duplicar el volumen de los canales de distribución. Los canales de flujo aseguran una distribución homogénea de la concentración de los reactivos sobre las capas catalíticas del ánodo y cátodo, una distribución homogénea de la temperatura sobre la MEA y un contenido de agua en la membrana óptimo para el buen funcionamiento del sistema. La cámara de distribución tiene la función de repartir de manera homogénea a lo largo de una superficie similar a la que ocupa la MEA los reactivos antes de que éstos entren en contacto con las capas catalíticas. Los conductos de inyección tienen la función de conducir los reactivos desde las cámaras de distribución a las zonas donde se encuentran los catalizadores de la MEA, siendo ésta una distribución en múltiples puntos uniformemente repartidos a lo largo de la sección de la MEA. Por último, la zona de canales de flujo tiene como funciones la distribución homogénea de los reactivos sobre las capas catalíticas de la MEA maximizando la superficie de contacto entre ambos, y la evacuación rápida y homogénea del calor producido. De acuerdo con las especificaciones del diseño, el dispositivo se puede fabricar utilizando cualquier material que se utilice para la fabricación de placas (metales, compuestos poliméricos, grafito, etc.) , obteniéndose la geometría propuesta por cualquiera de los procesos de fabricación habituales (mecanizado, moldeo, estampación, etc.) . El diseño de estas placas de unidades básicas con área reactiva reducida, minimiza la variabilidad de las condiciones estacionarias de funcionamiento a lo largo de la MEA, ya que el recorrido que los reactivos hacen a lo largo de la superficie catalizadora de la MEA es más corto. Por tanto, las condiciones de concentración de reactivos, de generación de corriente, gestión del agua y del calor producido son más homogéneas en toda la superficie. En un ejemplo preferencial, el área se ha dividido en 4 unidades básicas, pero un experto en la materia apreciará que el área se puede dividir en tantas unidades básicas como se quiera para un tamaño de pila determinado, preferentemente de manera que los reactivos recorran distancias inferiores a 5 cm. De esta forma, tanto el proceso de funcionamiento como las variables más importantes que intervienen en él están bajo control. Además, la pérdida de carga que produce la geometría al paso de los reactivos es mucho menor que en otro tipo de geometrías como la de tipo laberinto, por ejemplo, donde la pérdida de carga es mayor y por tanto es necesaria una mayor potencia de impulsión del reactivo, con lo que el rendimiento global de la pila es menor, ya que para producir electricidad primero se ha de consumir energía para accionar una bomba de impulsión. Las unidades básicas están unidas de manera ES 2 395 300 A2
que el sistema funciona como un pequeño stack de pequeñas PEMFC conectadas en paralelo. Cada una de estas pequeñas PEMFC estaría formada por una unidad básica en la placa anódica, una unidad básica en la placa catódica y la zona de la MEA contenida entre ambas. En este ejemplo de realización el sistema completo es equivalente a la conexión en paralelo de cuatro mini PEMFC (Fig. 7) . La unidad básica está delimitada en la placa por los canales de inyección y los canales de extracción y funcionaría como placa anódica o catódica en una pila independiente. Gracias a que cada unidad básica es pequeña en comparación a una pila de tamaño normal, el recorrido de los reactivos es más corto. Para obtener la misma potencia que en una pila de tamaño normal, se repite la misma geometría de la unidad básica varias veces, hasta cubrir el total de la sección reactiva de la pila.
Se pueden asociar además diferentes conjuntos como los descritos anteriormente mediante conexiones en serie y/o paralelo para conseguir la potencia y/o tensión deseadas, disponiendo en las placas los elementos necesarios para hacer las conexiones eléctricas requeridas (Fig. 8) . En este caso práctico la pila se compone de cuatro unidades básicas objeto de la invención que suman un total de 25 cm2 de área reactiva. La zona de canales de flujo está diseñada para facilitar que toda la superficie de la membrana reciba fluido reactivo en condiciones de concentración homogéneas. La Fig.3 representa un esquema de funcionamiento del dispositivo objeto de la invención. El combustible (hidrógeno o metanol) entra en la cámara de distribución 31. A través de los conductos de inyección 40 dispuestos a lo largo de la cámara de distribución, el combustible entra en la zona de los canales de flujo 50. Los canales de flujo disponen de una geometría compuesta por una serie de canales paralelos o no, separados una distancia adecuada en cada caso y con obstáculos de diversas formas geométricas diferentes para cada aplicación. En la Fig. 6 se pueden apreciar varios ejemplos de dichas geometrías. Los obstáculos pueden tener una sección circular, cuadrada, rectangular y combinaciones de las anteriores y su ordenación puede ser muy variada, aunque de preferencia simétrica. El diseño de los canales de flujo según la invención favorece la distribución homogénea a lo largo de toda la superficie del ánodo, así como el contacto del combustible con el electrodo poroso 106 (GDL) donde se difunde hasta llegar a la capa catalítica que hay junto a la membrana 108 y reacciona. Los electrones extraídos tras la reacción son recogidos por la placa y conducidos por un circuito externo, produciendo una corriente eléctrica. El combustible residual tras la reacción abandona la zona de canales de flujo a través de los conductos de extracción 41 llenando la cámara de recogida 24 desde la que será conducido al exterior de la pila a través del orificio de salida 11, para su posterior reutilización si fuera necesario. En el lado del cátodo, el oxidante (oxígeno o aire) entra en la cámara de distribución 111. A través de los conductos de inyección 112 dispuestos a lo largo de la cámara de distribución, el combustible entra en la zona de los canales de flujo 113. Los canales de flujo disponen de una geometría compuesta por una serie de canales paralelos entre sí (o no) , separados una distancia adecuada en cada caso y con obstáculos de diversas formas geométricas diferentes para cada aplicación. El diseño de los canales de flujo favorece la distribución homogénea a lo largo de toda la superficie del cátodo, así como el contacto del combustible con el electrodo poroso 107 (GDL) donde se difunde hasta llegar a la capa catalítica que hay junto a la membrana 108 y reacciona. El oxidante residual tras la reacción abandona la zona de canales de flujo a través de los conductos de extracción 114 llenando la cámara de recogida 115 desde la que será conducido al exterior de la pila. Tanto en el ánodo como en el cátodo, las cámaras de distribución están separadas de las cámaras de recogida por paredes sólidas 117 pertenecientes a las placas, que evitan la mezcla de la corriente de entrada (con mayor concentración de reactivo) con la corriente de salida (de menor concentración) . A ambos lados de la MEA, los reactivos pueden circular en el mismo sentido (circulación en concordancia) o en sentidos opuestos (circulación en contracorriente) , en función de los requerimientos de la aplicación. La Fig. 4 representa un ejemplo de montaje de pila de combustible monocelda (conjunto explosionado) que contiene cuatro unidades básicas que incluyen cámara de distribución, conductos de inyección, canales de flujo, conductos de extracción y cámara de recogida. El conjunto está formado por dos tapas terminales 201, dos juntas de estanqueidad 202, dos placas según la invención 203 y una MEA 204 (Membrane Electrode Assembly) que incluye el catalizador y las capa difusora porosa (GDL) 205 a ambos lados. Las tapas terminales se pueden fabricar de cualquier material y por cualquiera de los procedimientos descritos anteriormente para las placas u otros, pudiendo contener en uno de sus lados una geometría idéntica a la de la placa para aumentar la capacidad de las cámaras de distribución y de recogida si fuera necesario. Todos los elementos que componen la pila de combustible monocelda del ejemplo representado en la Fig. 4 podrían disponer de múltiples orificios con diferentes funciones, como alojamiento de los elementos de sujeción del conjunto (tornillos o similar) 8. En caso necesario, el conjunto podría disponer de orificios con diferentes formas 10 para la conducción de algún fluido refrigerante con el fin de regular la temperatura de operación del sistema. Además, podrían disponerse otros orificios para la entrada y salida de los diferentes reactivos 12 y 14 que permitan la conducción y distribución de los mismos a través del conjunto.
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