ES2953487T3

ES2953487T3 - Campos de flujo para celda electroquímica

Info

Publication number: ES2953487T3
Application number: ES16865347T
Authority: ES
Inventors: Rainey Yu WANG; Rami Michel Abouatallah; Nathaniel Ian Joos
Original assignee: Hydrogenics Corp
Current assignee: Hydrogenics Corp
Priority date: 2015-11-17
Filing date: 2016-11-16
Publication date: 2023-11-13
Anticipated expiration: 2036-11-16
Also published as: CN108368623A; DK3377677T3; EP3377677A1; CN116130698A; US10193164B2; EP3377677A4; US10847813B2; US20170141415A1; CA3005121C; WO2017083968A1; CA3005121A1; EP3377677B1; US20190097245A1; CN108368623B

Abstract

Una celda electroquímica tiene campos de flujo primero y segundo en lados opuestos de una membrana. El primer campo de flujo tiene un conjunto de canales generalmente lineales en los que el flujo de un fluido en el campo está contenido entre crestas alargadas paralelas. El segundo campo de flujo está definido por un conjunto de crestas discontinuas paralelas. Preferiblemente, la mayoría de los segmentos de crestas en el segundo campo de flujo son oblicuos, por ejemplo perpendiculares, y se superponen con dos o más crestas del primer campo de flujo. Los campos de flujo se pueden usar, por ejemplo, en celdas de electrólisis de agua que incluyen celdas de electrólisis de membrana de electrolito polimérico (PEM) de presión alta o diferencial. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Campos de flujo para celda electroquímica

CAMPO

[0001] La especificación se refiere a celdas electroquímicas y, en particular, al diseño de una placa o placas de campo de flujo.

ANTECEDENTES

[0002] La patente canadiense 2522731 muestra varios diseños para placas de campo de flujo adecuadas para el uso en celdas electroquímicas. En algunos casos, se proporciona una placa bipolar. En algunas formas de realización, las superficies activas correspondientes a un ánodo y un cátodo son sustancialmente idénticas entre sí mientras que en otras formas de realización las respectivas superficies activas son idénticas entre sí después de una transformación tal como una reflexión o una rotación de 180 grados.

[0003] La patente de E.E. U.U. n°. 6.051.331 representa pilas de celdas de combustible que comprenden celdas de combustible de ensamblaje separador/de electrodos de membrana apiladas. Los separadores comprenden una serie de plaquetas de láminas delgadas, que tienen áreas activas de humidificación del gas reactivo con microcanales serpenteantes y campos de enfriamiento configurados individualmente. El documento WO/2014/206237 representa una celda de combustible, que comprende una placa de campo de flujo de cátodo, una placa de campo de flujo de ánodo y un ensamblaje de electrodos de membrana (MEA por sus siglas en inglés). El ensamblaje de electrodos de membrana está sujeto entre la placa del campo de flujo de cátodo y la placa del campo de flujo de ánodo.

INTRODUCCIÓN

[0004] Esta especificación describe el diseño de campos de flujo o placas de campos de flujo correspondientes con las características según la reivindicación 1, los campos de flujo son correspondientes en el sentido de que se encuentran en lados opuestos de una membrana en una celda electroquímica. La palabra "placas" se utilizará en el presente documento para indicar cualquiera de dos placas separadas; una placa única, tal como una placa bipolar, que tiene un campo de flujo a ambos lados; y un par de placas bipolares.

[0005] Un primer campo de flujo tiene un conjunto de canales en el que el flujo de un fluido que está en el campo está generalmente confinado a recorridos lineales distintos entre una entrada y una salida. Opcionalmente, los canales pueden bifurcarse cerca de la entrada y unirse cerca de la salida. Sin embargo, la mayor parte, es decir el 50 % o más pero opcionalmente el 80 % o más, del área del primer campo de flujo está compuesta de canales definidos por crestas largas. Al menos algunas de las crestas largas pueden extenderse, opcionalmente con una o más curvas, a lo largo de la mayor parte de la distancia de línea recta entre la entrada y la salida. La longitud de las crestas (que puede incluir una o más curvas) relativa al ancho de los canales está en una proporción de al menos 10:1 o 20:1.

[0006] El segundo campo de flujo es comparativamente menos direccional, con crestas más cortas y mayor potencial de mezcla entre los recorridos de flujo. Por ejemplo, la longitud de las crestas con respecto al ancho de los canales puede estar en una proporción de menos de 10:1 en la mayor parte, es decir, el 50 % o más pero opcionalmente el 80 % o más, del área del segundo campo de flujo. El segundo campo de flujo tiene al menos una salida y puede tener también, o no, una o más entradas. Preferiblemente, la mayoría de las crestas en el segundo campo de flujo son oblicuas, por ejemplo generalmente perpendiculares a, las crestas en el primer campo de flujo. Preferiblemente, las crestas en el segundo campo de flujo forman un conjunto de líneas segmentadas paralelas, con los segmentos desplazados entre sí en líneas sucesivas, por ejemplo de manera que los espacios entre las crestas en una línea estén ubicados frente a las crestas en líneas adyacentes. Las crestas en el segundo campo de flujo se superponen con al menos dos crestas del primer campo de flujo.

[0007] Esta especificación también describe un método para diseñar el segundo campo de flujo. En el método, las crestas teóricas del segundo campo de flujo están dispuestas perpendicularmente a las crestas del primer campo de flujo, encima de las crestas del primer campo de flujo, o en una combinación de estas posiciones, pero preferiblemente en su mayoría perpendiculares a las crestas del primer campo de flujo. Luego, las crestas teóricas en el segundo campo de flujo se dividen en segmentos. Cuando los segmentos son perpendiculares a las crestas en el primer campo de flujo, los segmentos se extienden entre pares de crestas del primer campo de flujo. Opcionalmente, cuando la dirección de las crestas en el segundo campo de flujo cambia, puede haber crestas dobladas. Dado que el segundo campo de flujo generalmente no es direccional, una salida, o una entrada, si la hay, puede estar ubicada dentro de o en comunicación con cualquier lado del segundo campo de flujo.

[0008] En comparación con un segundo campo de flujo que coincide con el primer campo de flujo, la disposición del segundo campo de flujo puede proporcionar una vía de fluido independiente de la dirección de flujo del fluido en el primer campo de flujo. La disposición es útil, por ejemplo, en cualquier celda electroquímica, tal como un electrolizador de agua donde el primer campo de flujo puede transportar un líquido, el segundo campo de flujo puede transportar un gas, y es deseable poder diseñar el campo de flujo de líquido con restricciones mínimas proporcionadas por el campo de flujo de gas. Cuando la mayoría de las crestas en el segundo campo de flujo se extienden entre crestas en el primer campo de flujo, la disposición también puede ayudar a que la membrana resista las inversiones o fluctuaciones diferenciales de presión transmembrana, por ejemplo, como puede ocurrir al iniciar o apagar un electrolizador de agua de presión diferencial.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

[0009]

La figura 1 muestra parte de un primer campo de flujo.

La figura 2 muestra parte de un segundo campo de flujo.

La figura 3 muestra los campos de flujo primero y segundo colocados uno sobre el otro como en una celda electroquímica.

DESCRIPCIÓN DETALLADA

[0010] La figura 1 muestra una parte de un primer campo de flujo 10 para una celda electroquímica. El primer campo de flujo 10 podría usarse en el lado del ánodo o del cátodo de una celda. Sin embargo, en el contexto de una celda de electrólisis de agua usada para producir hidrógeno, el primer campo de flujo 10 preferiblemente se usa en el lado del ánodo de la celda. En este caso, el agua fluye hacia el interior del primer campo de flujo 10 y el oxígeno y agua no-reaccionada fluyen hacia el exterior del primer campo de flujo 10. El primer campo de flujo 10 típicamente ocupa una parte de una placa de campo de flujo, que proporciona también una o más entradas y una o más salidas en comunicación con el primer campo de flujo 10. La placa de campo de flujo proporciona también un borde alrededor del primer campo de flujo 10. El borde tiene juntas o se adapta para cooperar en la formación de una junta con una membrana, tal como una membrana de electrolito polimérico o un ensamblaje de electrodos de membrana, colocada sobre la placa de campo de flujo. Típicamente, una capa de difusión está colocada entre el primer campo de flujo 10 y la membrana. El primer campo de flujo 10 se hace eliminando material de la placa de campo de flujo para proporcionar canales 14. El material que queda entre los canales 14 forma las crestas alargadas 12.

[0011] La figura 2 muestra una parte correspondiente de un segundo campo de flujo 20 para una celda electroquímica. El segundo campo de flujo 20 podría usarse en el lado del ánodo o del cátodo de una celda. Sin embargo, en el contexto de una celda de electrólisis de agua usada para producir hidrógeno, el segundo campo de flujo 20 preferiblemente se usa en el lado del cátodo de la celda. En este caso, se produce hidrógeno en el segundo campo de flujo 20. El segundo campo de flujo 20 típicamente ocupa una parte de una placa de campo de flujo, que proporciona también una o más salidas y opcionalmente una o más entradas en comunicación con el segundo campo de flujo 20. La placa de campo de flujo proporciona también un borde alrededor del segundo campo de flujo 20 como se ha descrito anteriormente. El segundo campo de flujo 20 se hace eliminando material de la placa de campo de flujo para formar una superficie distal 22. El material restante en el segundo campo de flujo 20 forma crestas cortas 24.

[0012] En las figuras 1 y 2, los campos de flujo 10, 20 se extienden más allá de las líneas de rotura que bordean las figuras. Las líneas de rotura se han desplazado del límite real de la parte de los campos de flujo 10, 20 que se muestran para que las líneas de rotura sean más visibles. Las crestas 12 y crestas cortas 24 que son perpendiculares a una línea de rotura adyacente se extienden continuamente a lo largo de la línea de rotura excepto en el caso de algunas crestas cortas 24 que ya se muestran en su longitud total.

[0013] Una placa de campo de flujo puede contener solo el primer campo de flujo 10 o solo el segundo campo de flujo 20. Alternativamente, el primer campo de flujo 10 y el segundo campo de flujo 20 pueden proporcionarse en lados opuestos de una única placa de campo de flujo para proporcionar una placa bipolar. Antes que eliminar el material de una placa, un campo de flujo puede hacerse mediante otros métodos, por ejemplo, moldeando la placa de campo de flujo o construyéndola por capas.

[0014] Para ensamblar una celda electroquímica, una placa de campo de flujo que contiene el primer campo de flujo 10 se une a otra placa de campo de flujo que contiene el segundo campo de flujo 20 para que el primer campo de flujo 10 mire hacia el segundo campo de flujo 20. Opcionalmente, cada una de las dos placas de campo de flujo pueden ser placas bipolares esencialmente idénticas. Las placas de campo de flujo típicamente están separadas por juntas, una membrana, capas de catalizador/electrodo (que pueden ser integrales con la membrana) y capas de difusión.

[0015] En las figuras 1 y 2, los campos de flujo 10, 20 están orientados uno respecto al otro como si fueran parte de una celda electroquímica que se ha abierto en una dirección perpendicular a los campos de flujo 10, 20 pero uno de los campos de flujo 10, 20 se ve directamente mientras que el otro se ve como si se mirase a través de un espejo. En la figura 3, los campos de flujo 10, 20 están posicionados uno respecto al otro como estarían en una celda ensamblada con el segundo campo de flujo 20 sobre la parte superior del primer campo de flujo 10 pero como si la superficie distal 22 del segundo campo de flujo 20 se hubiese eliminado para permitir ver dentro de la celda desde arriba.

[0016] En referencia a la figura 1, las crestas alargadas 12 tienen una longitud 30, que se extiende en al menos una dirección más allá de las líneas de rotura, y tienen un ancho 32. Las crestas alargadas 12 sucesivas están separadas por un primer espacio 34, que es también del ancho de los canales 14. La distancia desde un punto en una cresta alargada 12 al mismo punto en otra cresta alargada 12 medida perpendicularmente a las crestas alargadas 12 es el espaciado perpendicular 36. El espaciado perpendicular 36 también es igual a la suma del ancho 32 y el primer espacio 34.

[0017] En referencia a la figura 2, las crestas cortas 24 tienen una longitud 38 y un ancho 40. Las crestas cortas 24 están separadas, cuando se miden perpendicularmente a las crestas cortas 24, por un segundo espacio 42. El ancho 40 de las crestas cortas 24 es preferentemente el mismo que el ancho 32 de las crestas alargadas 12. Además, el segundo espacio 42 es preferiblemente el mismo que el primer espacio 34. El espaciado entre un punto en una cresta corta 24 y el mismo punto en una cresta corta 24 sucesiva es un paso perpendicular 46 o un paso lineal 44 cuando se mide perpendicularmente a las crestas cortas 24 o paralelamente a las crestas cortas 24 respectivamente. El paso lineal 44 es preferiblemente esencialmente un múltiplo entero del paso perpendicular 36, por ejemplo el paso lineal 44 puede ser 2, 3 o 4 veces el paso perpendicular 36. Preferiblemente la mayoría, opcionalmente el 80% o más, de las crestas cortas 24 tienen la misma longitud 38 y paso lineal 44.

[0018] Las varias dimensiones descritas en los dos primeros párrafos anteriores son preferiblemente generalmente consistentes a lo largo de al menos la mayor parte (el 50 % o más), preferiblemente el 80 % o más, de un campo de flujo 10, 20, con la excepción de las longitudes 30 de las crestas alargadas 12, que son variables.

[0019] Aunque puede haber diferentes patrones cerca de las entradas, salidas de los bordes, el área mostrada en la figura 1 es representativa de la mayor parte, es decir, el 50 % o más, pero opcionalmente el 80 % o más, del área del primer campo de flujo 10 en una celda. Los canales 14 están configurados para limitar generalmente el flujo de fluido a través del primer campo de flujo 10 a recorridos lineales distintos entre una entrada y una salida. Opcionalmente, los canales pueden bifurcarse cerca de la entrada y unirse cerca de la salida. Las crestas alargadas 12 se denominan alargadas porque típicamente se extienden continuamente al menos desde una barrera (es decir, un borde del campo de flujo 10, una bifurcación o una unión en el campo de flujo 10, un cambio de dirección en el campo de flujo 10, una entrada, o una salida) a otra. Al menos algunas de las crestas alargadas 12 pueden extenderse, opcionalmente con una o más curvas, a lo largo de la mayor parte de la distancia en línea recta entre una entrada y una salida de la placa del campo de flujo. La longitud de las crestas alargadas 12 (que pueden incluir una o más curvas) con respecto al ancho de los canales 14, es decir, el primer espacio 34, normalmente está en una proporción de al menos 10:1 o 20:1, y puede, por ejemplo, para algunas crestas alargadas ser de 50:1 o más.

[0020] El área mostrada en la figura 2 es representativa de la mayor parte, es decir, el 50 % o más pero opcionalmente el 80 % o más, del área del segundo campo de flujo 20 en una celda. En cuanto al primer campo de flujo 10, es probable que se produzcan variaciones en el patrón, si las hay, cerca de una entrada (si la hay), una salida o un borde. Además, para simplificar la ilustración se muestra solo una curvatura en las crestas alargadas 12 y la correspondiente rotación de las crestas cortas 24. Sin embargo, un primer campo de flujo 10 puede tener múltiples curvaturas en las crestas alargadas 12, opcionalmente cada una con una rotación correspondiente de las crestas cortas 24 en el segundo campo de flujo 20.

[0021] El segundo campo de flujo 20 es menos direccional, con crestas más cortas y más potencial de mezcla u otro flujo perpendicular a las crestas, que el primer campo de flujo 10. Por ejemplo, la longitud de las crestas cortas 24 con respecto al ancho de los canales 14 es típicamente menos de 10:1, preferiblemente 7:1 o menos.

[0022] Algunas de las crestas cortas 24 pueden ser paralelas a una parte de una cresta alargada 12. Cuando esto ocurre, la cresta corta 24 preferiblemente se encuentra directamente sobre la cresta alargada 12. Preferiblemente, la mayoría de las crestas cortas 24 son oblicuas a una o más crestas alargadas 12 que se superponen en una celda ensamblada. Lo más preferible es que, la mayoría de, es decir, el 50 % o más pero opcionalmente el 80 % o más o esencialmente todas, las crestas cortas 24 se superpongan a dos o más crestas alargadas 12 en una celda ensamblada y que sean oblicuas a esas crestas alargadas 12. Las crestas cortas 24 pueden estar en un ángulo de al menos 30 grados con respecto a las crestas alargadas superpuestas 12.

[0023] Preferiblemente, las crestas cortas 24 están en ángulo recto con respecto a las crestas alargadas superpuestas 12. En este caso, la longitud de las crestas cortas 24 es preferiblemente esencialmente la misma que la suma de (a) un múltiplo entero del ancho 32 de la crestas alargadas 12 añadido a (b) el primer espacio 34.

[0024] Como se muestra en la figura 2, las crestas cortas 24 forman un conjunto de líneas segmentadas paralelas. En líneas sucesivas, las crestas cortas 24 están desplazadas entre sí, por ejemplo de manera que segundos espacios 42 entre crestas cortas 24 en una línea estén ubicados frente a las crestas cortas 24 en líneas adyacentes. Como se muestra en la figura 3, las crestas cortas 24 sucesivas que se superponen a la misma cresta alargada 12 en una celda ensamblada preferiblemente se superponen a diferentes conjuntos de crestas alargadas 12. Las crestas cortas 24 preferiblemente cambian su orientación de modo que esta configuración se conserve alrededor de las curvas en las crestas alargadas 12. Se pueden proporcionar crestas irregulares 50 en el segundo campo de flujo 20 en las curvas de las crestas alargadas para ayudar a engranar el patrón de crestas cortas 24 a cada lado de dicha curva. Las curvas y los extremos de las crestas alargadas 12 y las crestas cortas 24 son preferiblemente redondeados para disminuir la turbulencia en los campos de flujo 10, 20.

[0025] Un método para diseñar los campos de flujo 10, 20 comienza con el diseño del primer campo de flujo 10. El diseño del primer campo de flujo 10 proporciona canales 14 entre una entrada y una salida del primer campo de flujo 10. Luego se diseña el segundo campo de flujo 20 con referencia al primer campo de flujo 10. En una primera etapa, se disponen crestas alargadas teóricas, o líneas límite que contendrían las crestas cortas, perpendicularmente a las crestas alargadas del primer campo de flujo, encima de las crestas en el campo de flujo, o en una combinación de estas posiciones, pero preferiblemente en su mayoría perpendicularmente. Las crestas teóricas o líneas límite en el segundo campo de flujo luego se dividen en crestas cortas 24.

[0026] Cuando las crestas cortas 24 son perpendiculares a las crestas alargadas 12, las crestas teóricas o líneas límite se dividen preferiblemente según un patrón consistente que está desplazado entre crestas teóricas o líneas límite sucesivas. En una forma de realización preferida, cada cresta corta 24 se extiende desde un lado de una cresta alargada 12 hasta el lado opuesto de al menos una cresta alargada 12 adyacente, las crestas cortas 24 sucesivas en una línea están separadas por el primer espacio 34, y las crestas cortas 24 en líneas sucesivas están desplazadas por una distancia igual al primer espacio 34 añadido al ancho 32 de las crestas alargadas 12 o más. En el ejemplo particular mostrado, el ancho 32 de las crestas alargadas 12 es esencialmente el mismo que el primer espacio 34, el patrón implica crear crestas cortas 24 que tengan una longitud 38 normalmente (es decir, excepto cerca de curvas u otras barreras) igual a cinco veces el ancho 32 de las crestas alargadas 12, el espacio 42 es esencialmente igual al ancho 40, y el desplazamiento es igual al doble del ancho 32 de las crestas alargadas. Preferiblemente, cuando cambia la dirección de las crestas cortas 24, se añaden al menos algunas crestas irregulares 50. Dado que el segundo campo de flujo generalmente no es direccional, se puede ubicar una salida, o una entrada, si la hay, dentro de o en comunicación con cualquier lado del segundo campo de flujo.

[0027] La palabra "esencialmente" cuando se utiliza en el presente documento indica que dos parámetros difieren entre sí en no más de un 10 %. La palabra "preferiblemente" cuando se usa en el presente documento indica que una característica es opcional pero que se prefiere.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Conjunto de placas de campo de flujo para una celda electroquímica que comprende,

una primera placa de campo de flujo que tiene un primer campo de flujo (10) definido principalmente por una pluralidad de crestas alargadas (12), y

una segunda placa de campo de flujo que tiene un segundo campo de flujo (20) definido principalmente por una pluralidad de líneas discontinuas de crestas comparativamente cortas (24), y donde, cuando las placas de campo de flujo están ensambladas en una celda, el primer campo de flujo (10) mira hacia el segundo campo de flujo y las crestas cortas (24) se extienden entre al menos dos crestas alargadas (12) sucesivas.

2. Conjunto según la reivindicación 1 donde las crestas alargadas (12) son al menos 10 veces más largas que el espacio promedio (34) entre crestas alargadas (12) sucesivas, el espacio (34) medido perpendicularmente a las crestas alargadas (12).

3. Conjunto según la reivindicación 1 o 2 donde las crestas cortas son menos de 10 veces más largas que un espacio promedio entre crestas alargadas sucesivas, el espacio medido perpendicularmente a las crestas alargadas.

4. Conjunto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde las crestas cortas (24) de la segunda placa del campo de flujo forman un conjunto de líneas segmentadas paralelas, con los segmentos desplazados entre sí en líneas sucesivas.

5. Conjunto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde, cuando las placas de campo de flujo están ensambladas en una celda, las crestas cortas (24) son oblicuas a las crestas alargadas (12).

6. Conjunto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde, cuando las placas del campo de flujo están ensambladas en una celda, las crestas cortas (24) son normales a las crestas alargadas (12).

7. Conjunto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el espaciado entre crestas cortas (24) sucesivas en una línea es esencialmente el mismo que dos a cuatro veces el espaciado entre crestas alargadas (12) sucesivas medido perpendicularmente a las crestas alargadas (12).

8. Conjunto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde las crestas alargadas (12) y las crestas cortas (24) tienen esencialmente el mismo ancho.

9. Conjunto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde un segundo espacio (42) entre crestas cortas (24) sucesivas medido perpendicularmente a las crestas cortas (24) es esencialmente el mismo que el espacio (34) entre crestas alargadas (12) sucesivas medido perpendicularmente a las crestas alargadas (12).

10. Conjunto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde las crestas cortas (24) tienen una longitud (38) esencialmente igual a dos a cuatro veces el ancho promedio (32) de las crestas alargadas (12) añadido al espacio promedio (34) entre crestas alargadas (12) sucesivas medido perpendicularmente a las crestas alargadas (12).

11. Conjunto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el 50 % o más, preferiblemente el 80 % o más del área del campo de flujo de la primera placa del campo de flujo está definida por la pluralidad de crestas alargadas.

12. Ensamblaje de celda electroquímica que comprende un conjunto de placas de campo de flujo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

13. Ensamblaje de celda electroquímica según la reivindicación 12, que comprende además una membrana, donde las placas del campo de flujo están ubicadas en lados opuestos de una membrana.

14. Uso del conjunto de placas de campo de flujo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11 en una celda electroquímica.

15. Uso según la reivindicación 14, donde el primer campo de flujo (10) se usa en el lado del ánodo de una celda y el segundo campo de flujo (20) se usa en el lado del cátodo de la celda o viceversa.

16. Uso según la reivindicación 14 o la reivindicación 15, donde la celda electroquímica es un electrolizador de agua de presión diferencial, en el que el primer campo de flujo (10) se usa preferiblemente en el lado del ánodo de la celda y el segundo campo de flujo (20) se usa preferiblemente en el lado del cátodo de la celda.

17. Uso según cualquiera de las reivindicaciones 14 a 16, donde los campos de flujo están situados en lados opuestos de una membrana.