ES2648802T3 - Placa de pila de combustible y pila de combustible - Google Patents
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Abstract
Placa para pila de combustible (4; 40) formada por un apilamiento de placas (4; 40) y de conjuntos membrana-electrodo (6), caracterizada porque comprende al menos una superficie de estanqueidad estriada (30, 44) para un soporte estanco contra un conjunto membrana-electrodo (6) u otra placa de pila de combustible (40).
Description
DESCRIPCION
Placa de pila de combustible y pila de combustible
5 [0001] La presente invencion se refiere al campo de las pilas de combustible y mas especlficamente a la
realizacion de la estanqueidad entre los componentes apilados de una pila de combustible.
[0002] Una pila de combustible de membrana de intercambio de iones comprende un apilamiento de celulas electroqulmicas elementales. Cada celula electroqulmica comprende un conjunto membrana-electrodo (“EME”)
10 interpuesto entre dos placas separadoras.
[0003] El conjunto membrana-electrodo esta estratificado y comprende una membrana de intercambio de iones interpuesta entre dos electrodos. Cada electrodo comprende una capa activa adyacente a la membrana y una capa de difusion de gases. Un electrodo forma el anodo y el otro forma el catodo.
15
[0004] Cada placa separadora comprende estrechamientos dispuestos en su cara en contacto con el conjunto membrana-electrodo de forma que define entre la placa separadora y el conjunto membrana-electrodo conductos de circulacion de un gas reactivo en contacto con el conjunto membrana-electrodo. Se prepara una estanqueidad entre las placas separadoras y el conjunto membrana-electrodo para garantizar la estanqueidad de los
20 conductos de circulacion de los gases reactivos.
[0005] Opcionalmente, cada placa separadora esta formada por el apilamiento de dos placas elementales que definen entre si conductos de circulacion de un fluido de enfriamiento. En este caso, se prepara una estanqueidad entre las dos placas elementales para garantizar la estanqueidad de los conductos de circulaciones
25 del fluido de enfriamiento.
[0006] El documento FR-2.899.386 describe una celula electroqulmica en la que la estanqueidad entre un conjunto membrana-electrodo y las placas separadoras se establece mediante juntas reunidas en tirantes de separacion.
30
[0007] El documento FR-2.887.687 describe una celula electroqulmica en la que la estanqueidad entre un conjunto membrana-electrodo y una placa separadora se establece mediante una junta serigrafiada.
[0008] El documento US-2009/0.325.036 describe una celula electroqulmica en la que la estanqueidad entre 35 dos placas elementales que forman una placa separadora se obtiene mediante la soldadura de las placas
elementales.
[0009] El documento EP-1.686.641 describe una pila de combustible que comprende una placa separadora que comprende una parte ondulada cuya parte superior esta prevista para un contacto estanco con una membrana o
40 un electrodo.
[0010] Un objeto de la invencion consiste en proponer una placa de pila de combustible que permita establecer una estanqueidad fiable que se obtenga de una manera sencilla y economica.
45 [0011] Para este fin, la invencion propone una placa para pila de combustible formada por un apilamiento de
placas y de conjuntos membrana-electrodo, caracterizada porque comprende al menos una superficie de estanqueidad estriada para un soporte estanco contra un conjunto membrana-electrodo u otra placa de pila de combustible.
50 [0012] Una superficie de estanqueidad estriada presenta estrlas o surcos paralelos separados por llneas
salientes.
[0013] Segun otras formas de aplicacion, la placa de pila de combustible comprende una o varias de las
caracterlsticas siguientes, tomadas de forma aislada o segun todas las combinaciones tecnicamente posibles:
55
- forma una placa elemental prevista para su apilamiento con otra placa elemental con el fin de formar una placa separadora de pila de combustible, y comprende al menos una superficie de estanqueidad estriada para un soporte estanco contra dicha otra placa elemental;
- comprende una pellcula de refuerzo depositada en la superficie de estanqueidad estriada;
- forma una placa separadora de pila de combustible prevista para definir con al menos un conjunto membrana- electrodo canales de circulacion de fluidos entre la placa separadora y el conjunto membrana-electrodo;
- comprende, en una o en las dos caras, al menos una superficie de estanqueidad estriada para un soporte estanco con un conjunto membrana-electrodo;
5 - es una placa bipolar o monopolar;
- esta formada por dos placas elementales apiladas y en soporte estanco una contra otra por al menos un par de superficies de estanqueidad enfrentadas formada cada una por una placa elemental respectiva, siendo al menos una superficie de estanqueidad estriada; y
- comprende al menos un par de superficies de estanqueidad cuyas dos superficies de estanqueidad son estriadas; 10 - comprende una pellcula de refuerzo interpuesta entre dos superficies de estanqueidad de un par de superficies de
estanqueidad;
[0014] La invencion se refiere asimismo a un pila de combustible que comprende un apilamiento de placas y
de conjuntos membrana-electrodo, estando cada conjunto membrana-electrodo dispuesto entre dos placas que 15 definen con el conjunto membrana-electrodo canales de circulacion de un fluido entre cada una de las dos placas y el conjunto membrana-electrodo, comprendiendo cada placa en al menos una de sus caras una superficie de estanqueidad para un soporte estanco contra el conjunto membrana-electrodo u otra placa, caracterizada porque al menos una placa comprende una superficie de estanqueidad estriada.
20 [0015] Segun otras formas de aplicacion, la pila de combustible comprende una o varias de las
caracterlsticas siguientes, tomadas de forma aislada o segun todas las combinaciones tecnicamente posibles:
- comprende una placa que comprende al menos una superficie de estanqueidad estriada para un soporte estanco contra un conjunto membrana-electrodo y una pellcula de refuerzo entre la superficie de estanqueidad estriada y el
25 conjunto membrana-electrodo;
- la pellcula de refuerzo esta interpuesta entre la superficie de estanqueidad estriada y el conjunto membrana- electrodo o depositada en la superficie de estanqueidad estriada y el conjunto membrana-electrodo;
- comprende una placa separadora formada por al menos dos placas elementales apiladas en soporte estanco una contra otra por al menos dos superficies de estanqueidades enfrentadas, siendo al menos una de dichas superficies
30 de estanqueidad estriada; y
- comprende una pellcula de refuerzo interpuesta entre las dos superficies de estanqueidad enfrentadas de las dos placas elementales de la placa separadora.
[0016] La invencion y sus ventajas se comprenderan mejor mediante la lectura de la descripcion que se
35 ofrece a continuacion, proporcionada unicamente a modo de ejemplo, y hecha con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
- la figura 1 es una vista esquematica en seccion transversal de una pila de combustible, de acuerdo con la invencion;
40 - la figura 2 es una vista aumentada de la zona Il de la figura 1;
- la figura 3 es una vista analoga a la de la figura 2 que ilustra una variante de realizacion;
- la figura 4 es una vista ampliada de la zona IV de la figura 1; y
- las figuras 5 y 6 son vistas analogas a la de la figura 4 que ilustran variantes de realizacion.
45 [0017] En referencia a la figura 1, la pila de combustible 2 comprende un apilamiento de placas separadoras
4 y de conjuntos membrana-electrodo 6 (EME) en alternancia. Dicho apilamiento se designa habitualmente por el termino ingles “stack”.
[0018] De forma conocida de por si, el apilamiento se mantiene en compresion segun la direccion de 50 apilamiento E. El mantenimiento en compresion permite garantizar la estanqueidad entre las placas separadoras 4 y
los conjuntos membrana-electrodo 6, y mantener los conjuntos membrana-electrodo 6 en compresion entre las placas separadoras 4.
[0019] Cada conjunto membrana-electrodo 6 esta interpuesto entre dos placas separadoras 4. Cada conjunto 55 formado por dos placas separadoras 4 dispuestas a una y otra parte de un conjunto membrana-electrodo 6 define
una celula electroqulmica 8 elemental de la pila de combustible 2.
[0020] En la figura 1 se ilustra una unica celula electroqulmica 8. Una pila de combustible comprende en la practica una o varias celulas electroqulmicas 8.
[0021] Cada conjunto membrana-electrodo 6 comprende en superposicion una membrana 10 de intercambio de iones interpuesta entre dos electrodos 12, 14 dispuestos a una y otra parte de la membrana 10. Un electrodo 12 define un anodo y el otro electrodo 14 define un catodo.
5
[0022] La membrana 10 es en particular una membrana de intercambio de protones, y la pila de combustible del tipo PEM (“Proton Exchange Membrane”).
[0023] Cada electrodo es conductor electricamente. Cada electrodo 12, 14 es de tipo bicapa y comprende 10 una capa activa, respectivamente 18, 20, y una capa de difusion de gases, respectivamente 22, 24.
[0024] Las placas separadoras 4 garantizan la funcion de conduccion electrica. Las placas separadoras 4 son electricamente conductoras y estan en contacto electrico con los electrodos 12.
15 [0025] Las placas separadoras 4 garantizan la funcion de distribucion de gases reactivos a una y otra parte
del conjunto membrana-electrodo 6 y de evacuacion de los productos resultante.
[0026] Las placas separadoras 4 ilustradas en la figura 1 son “bipolares”: cada placa separadora 4 esta dispuesta entre dos conjuntos membrana-electrodo 6 y en contacto por cada una de sus caras opuestas con un
20 conjunto membrana-electrodo 6 respectivo. Una placa separadora se dice “monopolar” cuando posee una unica cara en contacto con un conjunto membrana-electrodo. Dichas placas separadoras monopolares (no visibles) se encuentran en los extremos del apilamiento de la pila de combustible 2.
[0027] Cada placa separadora 4 esta en contacto por una de sus caras con un electrodo 12 que forma el 25 anodo de un conjunto membrana-electrodo 6 y en contacto por la otra de sus caras con un electrodo 14 que forma el
catodo del otro conjunto membrana-electrodo 6.
[0028] Cada placa separadora 4 comprende un conjunto de estrechamientos dispuestos en cada una de sus caras en contacto con un conjunto membrana-electrodo 6 entre la placa separadora 4 y este conjunto membrana-
30 electrodo 6 de los conductos de alimentacion 26, 28 para la circulacion de gases reactivos a lo largo de una cara del conjunto membrana-electrodo 6, en contacto con un electrodo 12, 14 del conjunto membrana-electrodo 6.
[0029] De forma conocida de por si, los conductos de alimentacion anodica 26 de las diferentes celulas electroqulmicas 8 de una pila de combustible 2 estan unidos de manera fluida entre si para la alimentacion de
35 combustible y la evacuacion de los fluidos producidos. Los conductos de alimentacion catodica 28 de las diferentes celulas electroqulmicas 8 de una pila de combustible 2 estan unidos de manera fluida entre si para la alimentacion de comburente y la evacuacion de los fluidos producidos.
[0030] Los conductos de alimentacion anodica 26 son alimentados con combustible, por ejemplo hidrogeno, y 40 son alimentados con comburente, por ejemplo oxlgeno o aire.
[0031] En funcionamiento, los conductos de alimentacion anodica 26 definidos a lo largo de los electrodos 12 que forman el anodo estan alimentados con combustible, por ejemplo hidrogeno, y los conductos de alimentacion catodica 28 definidos a lo largo de los electrodos 14 que forman el catodo son alimentados con comburente, por
45 ejemplo oxlgeno o aire. En cada celula electroqulmica 8, el hidrogeno experimenta en contacto con el electrodo 12 que forma el anodo una oxidacion catalltica que libera protones y electrones.
[0032] Los electrones circulan en un circuito electrico externo. Los protones atraviesan el conjunto membrana-electrodo 6 y se recombinan con oxlgeno y los electrones suministrados por el electrodo 14 que forma el
50 catodo produciendo agua en el compartimento catodico. Aparece una diferencia de potencial electrico entre las placas separadoras 4 a una y otra parte de cada conjunto membrana-electrodo 6. El apilamiento de celulas electroqulmicas 8 permite adaptar los valores de tension y de corriente deseados.
[0033] Para garantizar la estanqueidad de los conductos de alimentacion 26, 28 con respecto al exterior, 55 cada placa separadora 4 se encuentra en soporte estanco contra un conjunto membrana-electrodo 6 por medio de
superficies de estanqueidad 30 placa/EME.
[0034] La membrana 10 de cada conjunto membrana-electrodo 6 presenta una region marginal 31 liberada no recubierta por los electrodos 12, 14 y cada placa separadora 4 se encuentra en soporte estanco contra la region
marginal 31 de la membrana 10.
[0035] Tal como se representa en la figura 2, las superficies de estanqueidad 30 son estriadas. Cada superficie de estanqueidad 30 presenta asi lineas salientes 32 que definen entre si surcos o estrias 34 paralelos. La
5 region marginal 31 de la membrana 10 esta sujeta entre las superficies de estanqueidad estriadas 30 y dos placas separadoras 4.
[0036] Bajo el efecto del mantenimiento en compresion del apilamiento de la pila de combustible 2, las lineas salientes 32 de las superficies de estanqueidad 30 estriadas penetran en la membrana 10. Como consecuencia las
10 superficies de estanqueidad 30 garantizan un cierre estanco suficiente entre cada placa separadora 4 y la membrana 10, sin que sea necesario prever medios de estanqueidad suplementarios.
[0037] En una variante ilustrada en la figura 3, se dispone una pelicula de refuerzo 36 entre cada superficie de estanqueidad 30 estriada y la membrana 10.
15
[0038] La pelicula de refuerzo 36 esta destinada a evitar un deterioro de las lineas salientes 32 y/o de la membrana 10.
[0039] La pelicula de refuerzo 36 es una pelicula flexible adecuada para conformarse con las lineas salientes 20 32, separada de la placa separadora 4 y de la membrana 10 y dispuesta entre la superficie de estanqueidad estriada
30 y la membrana 10 durante la colocacion del apilamiento. Como variante, la pelicula de refuerzo 36 se prepara mediante deposito en la superficie de estanqueidad 30 o la membrana 10.
[0040] La pelicula de refuerzo 36 esta hecha por ejemplo de politetrafluoroetileno (PTFE).
25
[0041] Ventajosamente, las placas separadoras 4 garantizan la funcion de enfriamiento de la pila de combustible.
[0042] Para este fin, tal como se representa en la figura 1, cada placa separadora 4 se prepara en forma de 30 una “biplaca”: esta formada por el apilamiento de dos placas elementales 40.
[0043] Cada conjunto membrana-electrodo 6 esta interpuesto entre dos placas elementales 40 de dos placas separadoras 4 diferentes. Cada placa elemental 40 se apila con un conjunto membrana-electrodo 6 definiendo con este canales de circulacion anodicos 26 o canales de circulacion catodicos 28.
35
[0044] Las placas elementales 40 son electricamente conductoras. Las placas elementales 40 asociadas que forman una placa separadora 4 estan unidas electricamente entre si.
[0045] Las placas elementales 40 estan configuradas para definir entre si conductos de enfriamiento 42 40 internos en la placa separadora 4 para la circulacion de un fluido de enfriamiento.
[0046] Para garantizar la estanqueidad de los conductos de enfriamiento 42 con respecto al exterior, las placas elementales 40 se encuentran en soporte una contra otra por medio de superficies de estanqueidad 44 placa/placa.
45
[0047] Las superficies de estanqueidad 44 estan dispuestas por pares, comprendiendo cada par dos superficies de estanqueidad 44 enfrentadas formada cada una en una placa elemental 40 respectiva.
[0048] Tal como se representa en la figura 4, cada placa elemental 40 se situa en su cara girada hacia la 50 placa elemental 40 asociada de las superficies de estanqueidad placa/placa 44. Todas las superficies de
estanqueidad placa/placa 44 son estriadas y comprenden lineas salientes paralelas 46 que definen entre si surcos o estrias 48.
[0049] Bajo el efecto del mantenimiento en compresion del apilamiento de la pila de combustible 2, las 55 superficies de estanqueidad 44 de un mismo par se interpenetran y garantizan un cierre estanco suficiente entre las
placas elementales 40, sin que sea necesario prever medios de estanqueidad suplementarios.
[0050] Tal como se representa en la figura 4, las dos superficies de estanqueidad placa/placa 44 enfrentadas de dos placas elementales 40 son estriadas. Como variante, una sola de las dos superficies de estanqueidad 44 es
estriada, y la otra es lisa.
[0051] Las superficies de estanqueidad placa/EME estriadas 30 de cada placa separadora 4 se constituyen en las caras de las placas elementales 40 que forman la placa separadora 4 giradas hacia el exterior de la placa
5 separadoras, destinadas a girarse hacia un conjunto membrana-electrodo 6.
[0052] Tal como se representa en la figura 5, en una variante, se interpone una pellcula de refuerzo 50 entre dos superficies de estanqueidad placa/placa 44 enfrentadas. La pellcula de refuerzo 50 esta separada de las placas elementales 40 e interpuestas entre si durante el apilamiento o se deposita en una de las placas elementales.
10
[0053] La pellcula de refuerzo 50 se extiende exclusivamente en las superficies de estanqueidad 44 y las placas elementales 40 estan ademas en contacto directo lo que garantiza su conexion electrica. La pellcula de refuerzo 50 esta hecha de un material electricamente conductor o aislante.
15 [0054] Tal como se representa en la figura 6, en una variante, la pellcula de refuerzo 50 se extiende a toda la
superficie de las placas elementales 40. Las placas elementales 40 estan separadas por la pellcula de refuerzo 50.
[0055] En este caso, la pellcula de refuerzo 50 es electricamente conductora para garantizar la conexion electrica entre las placas elementales 40.
20
[0056] Gracias a la invencion, es posible obtener la estanqueidad entre los conjuntos membrana-electrodo y las placas separadoras y entre las placas elementales de una placa separadora de forma sencilla y con bajo coste.
[0057] Las superficies de estanqueidad estriadas se obtienen facilmente, ya sea en placas metalicas 25 mecanizadas o moldeadas o placas de material compuesto que comprenden una matriz reforzada de fibras, por
ejemplo obtenidas por moldeo.
[0058] La invencion se aplica a la fabrication de pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) y mas en general a las pilas de combustible de membrana de intercambio de iones. Se aplica
30 especialmente tambien a las pilas de combustible de oxido solido denominadas SOFC (“Solid Oxyde Fuel Cell”).
Claims (10)
- REIVINDICACIONES1. Placa para pila de combustible (4; 40) formada por un apilamiento de placas (4; 40) y de conjuntos membrana-electrodo (6), caracterizada porque comprende al menos una superficie de estanqueidad estriada (30,5 44) para un soporte estanco contra un conjunto membrana-electrodo (6) u otra placa de pila de combustible (40).
- 2. Placa segun la reivindicacion 1, que forma una placa elemental (40) prevista para su apilamiento con otra placa elemental (40) para formar una placa separadora de pila de combustible (4), comprendiendo la placa elemental (40) al menos una superficie de estanqueidad estriada (44) para un soporte estanco contra dicha otra10 placa elemental (40).
- 3. Placa segun la reivindicacion 2, que comprende una pellcula de refuerzo depositada en la superficie de estanqueidad estriada (44).15 4. Placa segun la reivindicacion 1, que forma una placa separadora de pila de combustible (4) previstapara definir con al menos un conjunto membrana-electrodo (6) canales de circulacion de fluidos entre la placa separadora (4) y el conjunto membrana-electrodo (6).
- 5. Placa segun la reivindicacion 4, que comprende, en una o en las dos caras, al menos una superficie 20 de estanqueidad estriada (30) para un soporte estanco con un conjunto membrana-electrodo (6).
- 6. Placa segun la reivindicacion 4 o 5, bipolar o monopolar.
- 7. Placa segun una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6, formada por dos placas elementales (40) 25 apiladas y en soporte estanco una contra otra por al menos un par de superficies de estanqueidad (44) enfrentadasformada cada una en una placa elemental (40) respectiva, siendo al menos una superficie de estanqueidad (44) estriada.
- 8. Placa segun una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 7, que comprende al menos un par de 30 superficies de estanqueidad (44) cuyas dos superficies de estanqueidad (44) son estriadas.
- 9. Placa segun una de las reivindicaciones 7 y 8, que comprende una pellcula de refuerzo interpuesta entre dos superficies de estanqueidad (44) de un par de superficies de estanqueidad.35 10. Pila de combustible (2) que comprende un apilamiento de placas (4; 40) y de conjuntos membrana-electrodo (6), estando cada conjunto membrana-electrodo (6) dispuesto entre dos placas (4; 40) que definen con el conjunto membrana-electrodo (6) canales de circulacion de un fluido entre cada una de las dos placas (4; 40) y el conjunto membrana-electrodo (6), cada placa (4; 40) que comprende en al menos una de sus caras una superficie de estanqueidad (30; 40) para un soporte estanco contra el conjunto membrana-electrodo (6) u otra placa (40), 40 caracterizada porque al menos una placa (4, 40) comprende una superficie de estanqueidad estriada (30, 44).
- 11. Pila de combustible segun la reivindicacion 10, que comprende una placa que comprende al menos una superficie de estanqueidad estriada (30) para un soporte estanco contra un conjunto membrana-electrodo (6) y una pellcula de refuerzo (36) entre la superficie de estanqueidad estriada (30) y el conjunto membrana-electrodo (6).45
- 12. Pila de combustible segun la reivindicacion 11, en la que la pellcula de refuerzo (36) esta interpuesta entre la superficie de estanqueidad estriada (30) y el conjunto membrana-electrodo (6) o depositada en la superficie de estanqueidad estriada (30) y el conjunto membrana-electrodo (6).50 13. Pila de combustible segun una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, que comprende una placaseparadora (4) formada por al menos dos placas elementales (40) apiladas en soporte estanco una contra otra por al menos dos superficies de estanqueidades (40) enfrentadas, siendo al menos una de dichas superficies de estanqueidad (40) estriada.55 14. Pila de combustible segun la reivindicacion 13, que comprende una pellcula de refuerzo interpuestaentre las dos superficies de estanqueidad (40) enfrentadas de las dos placas elementales (40) de la placa separadora (6).
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