ES2198754T3

ES2198754T3 - Sistema de pilas de combustible para funcionamiento a baja presion.

Info

Publication number: ES2198754T3
Application number: ES98948243T
Authority: ES
Inventors: Alan J. Cisar; Dacong Weng; Oliver J. Murphy
Original assignee: LYNNTECH Inc
Current assignee: LYNNTECH Inc
Priority date: 1997-09-10
Filing date: 1998-09-10
Publication date: 2004-02-01
Anticipated expiration: 2018-09-10
Also published as: US6054228A; EP1025605B1; EP1339120A2; EP1025605A2; EP1339120A3; US20020195335A1; AU9485898A; WO1999034467A2; US6852437B2; US20050130007A1; US7078361B2; ATE245311T1; DE69816468D1; DE69816468T2; US6733913B2; US6410180B1; WO1999034467A3; US20020192523A1

Abstract

Un aparato que comprende un grupo ordenado de pilas electroquímicas; teniendo cada pila electroquímica una membrana de intercambio de protones, un ánodo que comprende un elemento conductor y en contacto con un primer lado de la membrana de intercambio de protones, y un cátodo que comprende un elemento conductor y en contacto con un segundo lado de la membrana de intercambio de protones, caracterizado porque se usa una rejilla eléctricamente conductora integral común, que comprende una región anódica usada para conformar el ánodo de una primera pila, y una región catódica usada para conformar el cátodo de una segunda pila, estando dichas regiones separadas por una región para barrera de gases, constituyendo la rejilla un elemento conductor compartido por el ánodo de una pila y el cátodo de una pila adyacente para establecer una conexión eléctrica entre las pilas del grupo ordenado.

Description

Sistema de pilas de combustible para el funcionamiento a baja presión.

Campo de la invención

Esta invención se refiere generalmente al campo de las pilas de combustible. Más particularmente, la invención se refiere a pilas de combustible de baja presión y sus componentes.

Fundamento de la invención

Generalmente, una pila de combustible es un dispositivo que convierte la energía de una reacción química en electricidad. Las pilas de combustible se diferencian de las baterías en que el combustible y el oxidante se almacenan externamente a la pila, que puede generar potencia mientras se suministren el combustible y el oxidante. Una pila de combustible produce una fuerza electromotriz haciendo que el combustible y el oxidante se pongan en contacto con dos electrodos adecuados, separados por un electrolito. Un combustible, tal como hidrógeno gaseoso, se introduce en un electrodo, en el que se disocia en la superficie electrocatalítica del electrodo positivo (ánodo), para formar protones y electrones, como se aclara en la ecuación 1. Los electrones pasan dentro de la estructura conductora del electrodo, y desde allí hasta el circuito eléctrico externo energizado por dicha pila de combustible. Los protones formados por la disociación del hidrógeno en el primer electrodo pasan a través del electrolito hasta el segundo electrodo. Simultáneamente, un oxidante, tal como oxígeno gaseoso o aire, se introduce en el segundo electrodo, en el que se adsorbe sobre la superficie electrocatalítica del electrodo negativo (cátodo), y se reduce electroquímicamente para formar una especie de óxido superficial mediante los electrones que han recorrido el circuito eléctrico externo energizado por la pila de combustible. Este óxido superficial reacciona con protones del electrolito para formar agua, el producto neto de la reacción. El agua se desorbe del electrodo y abandona la pila en la corriente gaseosa del cátodo. Las semirreacciones de la pila en los dos electrodos, para una pila de combustible que consume hidrógeno son, respectivamente, como sigue:

H_{2} \rightarrow 2H^{+} + 2e^{-}

\hskip3cm

(1)

½ O_{2} + 2H^{+} + 2e^{-} \rightarrow H_{2}O

\hskip1.7cm

(2)

Conectando los dos electrodos a través de un circuito externo se produce una corriente eléctrica que fluye en el circuito, y se retira potencia eléctrica de la pila. La reacción global de la pila de combustible, que es la suma de las semirreacciones separadas de la pila descritas anteriormente, produce energía eléctrica y calor.

En la práctica, las pilas de combustible no funcionan como unidades solas, sino que se conectan en serie para combinar de forma aditiva los potenciales individuales de las pilas y lograr un potencial mayor y más útil. Las pilas, en una serie dada, pueden conectarse directamente, con las caras opuestas de un componente sencillo en contacto con el ánodo de una pila y el cátodo de una pila adyacente, o a través de una unión eléctrica externa. Una serie de pilas de combustible, a la que se hace referencia como un apilamiento de pilas de combustible, está equipada normalmente con un sistema colector múltiple para la distribución de dos gases. El combustible y el oxidante se dirigen con colectores múltiples hasta los electrodos correctos, y la refrigeración se proporciona o mediante los agentes reaccionantes, o mediante un medio de refrigeración. También dentro del apilamiento hay colectores de corriente, selladuras de pila a pila, y otros componentes. El apilamiento y el hardware asociado constituyen el módulo de pilas de combustible.

En pilas de combustible en las que se usa un electrolito polimérico sólido o membrana de intercambio de protones ("PEM"), la membrana actúa como electrolito así como de barrera para impedir la mezcla de los gases reaccionantes. Una pila de combustible con PEM se describe con mayor detalle en la patente de EE.UU. Nº 5.242.764, de Dahr, que se incorpora aquí por referencia. Se ha dedicado mucha investigación y desarrollo a mejorar la relación de potencia a peso para pilas de combustible con membrana de intercambio de protones (PEM). La mayor parte de esta investigación ha implicado aumentar la potencia por unidad de volumen de apilamientos relativamente pesados.

La figura 1 es un dibujo que ilustra un apilamiento de pilas de combustible basado en un diseño de filtro prensa bipolar convencional 10 con elementos estructurales de grafito. Puede encontrarse una descripción completa de pilas de combustible de tipo filtro prensa en la patente de EE.UU. Nº 3.134.697 de Neidrach. Aunque las mejoras en las pilas de combustible del estilo de filtro prensa han proporcionado aumentos significativos en potencia por unidad de volumen, los sistemas que se han desarrollado, en conjunto, son grandes, pesados, y relativamente complejos, con compresores para suministrar aire y bombas para proporcionar sistemas de refrigeración con agua a presión para retirar el exceso de calor.

La figura 2 muestra la estructura de un ensamblaje estándar de membrana y electrodos (M y E) 20 para pilas de combustible, para usar en el apilamiento bipolar 10 de la figura 1, que tiene una recogida de corriente sobre la mayor parte de la parte posterior del electrodo. El ensamblaje M y E consiste en una membrana 22, una capa de catalizador 24, una capa de difusión de gases 26 y un soporte de tela conductora 28. Como se ilustra, un ensamblaje M y E completo incluye capas similares conformadas sobre ambos lados de la membrana.

Más recientemente, se han hecho esfuerzos para reducir el peso del apilamiento, reemplazando los elementos pesados de carbono con elementos metálicos más delgados y ligeros. Sin embargo, estas unidades se diseñaron para aplicaciones de gran escala, algunas del orden de aproximadamente 30 kW, y, por lo tanto, que requieren el mismo equipo auxiliar del apilamiento mencionado anteriormente. Además, en estos sistemas, el equipo auxiliar incluido con el apilamiento se ha diseñado para funcionar eficazmente en el nivel de kilovatios. Se han probado versiones de estos sistemas a escala más reducida, en aplicaciones que requieren mucha menos potencia, tal como dentro del intervalo entre aproximadamente 50 y aproximadamente 150 vatios. Sin embargo, estos sistemas no se adaptan bien para potencias de salida del apilamiento de decenas o centenares de vatios, ya que los componentes rotatorios, tales como bombas y compresores, no se reducen bien a escala. Como resultado, incluso sistemas en pequeña escala de este diseño son demasiado pesados para muchas aplicaciones pequeñas, tales como para aplicaciones portátiles y de uso personal.

Por lo tanto, quizá el objetivo más importante para aplicaciones portátiles y personales no sea vatios por unidad de volumen, sino vatios por unidad de peso, es decir, W/kg. Los esfuerzos para adaptar el diseño de filtro prensa bipolar estándar para funcionamiento a baja presión, eliminando por esta razón mucho equipo auxiliar, se han encontrado con algún éxito limitado, produciendo apilamientos con densidades de potencia de hasta 134 W/kg (61 W/lb). Aunque esta es una densidad de potencia útil, estos sistemas requieren un ensamblaje complicado y costoso.

Una manera posible de mejorar los sistemas de pilas de combustible para funcionamiento a presiones inferiores, es usar combustibles líquidos en lugar de combustibles gaseosos, tales como hidrógeno. El metanol (CH_{3}OH) y otros compuestos relacionados, tales como dimetoximetano (C_{3}H_{8}O_{2}) y trimetoximetano (C_{4}H_{10}O_{3}), ofrecen alternativas muy prometedoras a los combustibles gaseosos.

Los combustibles líquidos mencionados anteriormente comparten algunas ventajas comunes, comparados con el hidrógeno. En primer lugar, todos ellos son líquidos vertibles a presión ambiente y a temperaturas ambiente y casi ambiente. En segundo lugar, tienen una densidad energética mucho mayor que el hidrógeno. Por ejemplo, una mezcla metanol:agua 1:1 (cada mol de metanol requiere un mol de agua para la oxidación electroquímica, como se muestra en la ecuación 3) tiene tanta energía potencial como el hidrógeno almacenado a una presión de 110310 kN/m^{2} (16.000 psi).

CH_{3}OH + H_{2}O + 3/2 O_{2} \rightarrow CO_{2} + 3 H_{2}O

\hskip2cm

(3)

Aunque haya una producción neta de agua, por ejemplo, se produzca más agua en el cátodo de la que se consume en el ánodo, se debe suministrar agua al ánodo porque en una pila de combustible la oxidación se produce como un par de semirreacciones de la pila, representado la ecuación 3 la reacción neta. En una pila de combustible, el agua se consume en la reacción del ánodo (ecuación 4) y se produce en la reacción del cátodo (ecuación 5).

CH_{3}OH + H_{2}O \rightarrow CO_{2} + 6H^{+} + 6e^{-}

\hskip3cm

(4)

6H^{+} + 6e^{-}+ 3/2 O_{2} \rightarrow 3 H_{2}O

\hskip4cm

(5)

Las reacciones son similares para dimetoximetano y trimetoximetano, necesitando respectivamente cuatro y cinco moléculas de agua para cada molécula del compuesto orgánico oxidado. Ya que se consumen a mayores relaciones estequiométricas de agua a combustible, los dos éteres deben estar presentes a concentraciones inferiores en la corriente de combustible, y por consiguiente, tienen velocidades de permeación inferiores a través de las membranas PEM, y presiones de vapor inferiores en la disolución. Esto es especialmente cierto en el caso de trimetoximetano, que tiene un punto de ebullición de 104ºC, 40ºC mayor que el metanol, y por consiguiente, una presión de vapor inferior al metanol bajo todas las condiciones. La presión de vapor inferior, combinada con una toxicidad inferior para estos compuestos, conduce a menos riesgos de toxicidad del vapor comparados con los asociados con el uso de metanol.

Por lo tanto, hay una necesidad de un sistema ligero de pilas de combustible que proporcione una densidad de potencia (W/kg) mejorada, y elimine mucho equipo auxiliar. Hay también una necesidad de pilas de combustible que funcionen con combustibles gaseosos, tales como hidrógeno, y pilas de combustible que funcionen con combustibles líquidos, tales como dimetoximetano. Será deseable que la pila de combustible funcione eficazmente en el intervalo de 50 a 150 vatios, para suministrar electricidad a una variedad de dispositivos eléctricos comunes. Será también deseable que la pila de combustible no tenga más que unas pocas partes móviles, para reducir el mantenimiento y evitar averías. Será deseable además tener un sistema de pilas de combustible que sea disponible en módulos que puedan configurarse juntos para satisfacer los requisitos de potencia de aplicaciones específicas.

Conforme a esta invención, se proporciona un aparato que comprende un grupo ordenado de pilas electroquímicas; teniendo cada pila electroquímica una membrana de intercambio de protones, un ánodo que comprende un elemento conductor y en contacto con un primer lado de la membrana de intercambio de protones, y un cátodo que comprende un elemento conductor y en contacto con un segundo lado de la membrana de intercambio de protones, caracterizado porque se usa un rejilla eléctricamente conductora integral común, que comprende un región anódica usada para formar el ánodo de una primera pila y una región catódica usada para formar el cátodo de una segunda pila, estando dichas regiones separadas por una región para barrera de gases, constituyendo la rejilla un elemento conductor compartido por el ánodo de una pila y el cátodo de una pila adyacente, para establecer una conexión eléctrica entre las pilas del grupo ordenado.

Preferiblemente, la rejilla eléctricamente conductora está dispuesta dentro del ánodo de dicha primera pila y dentro del cátodo de dicha segunda pila.

Convenientemente, el ánodo tiene una capa de electrocatalizador y una capa de difusión de gases, y la rejilla eléctricamente conductora está dispuesta en contacto entre la capa de electrocatalizador activo y la capa de difusión de gases.

Alternativamente, el cátodo tiene una capa de electrocatalizador y una capa de difusión de gases, y la rejilla eléctricamente conductora está dispuesta en contacto entre la capa de electrocatalizador activo y la capa de difusión de gases.

En una realización, la capa de electrocatalizador comprende una mezcla de negro de platino y ácido perfluorosulfónico.

En una realización alternativa, la capa de electrocatalizador comprende una mezcla de negro de platino y politetrafluoroetileno.

Convenientemente, la rejilla eléctricamente conductora se selecciona de malla metálica, hilo metálico tejido, metal expandido, lámina metálica perforada, espuma metálica, polímeros intrínsecamente conductores, tela de grafito, o polímeros intrínsecamente no conductores mezclados con partículas, fibras o escamas conductoras.

Preferiblemente, la rejilla eléctricamente conductora es una rejilla metálica.

Ventajosamente, la rejilla eléctricamente conductora está hecha de un metal seleccionado de titanio, níquel, cobre, acero inoxidable, aluminio, niobio, o sus combinaciones.

Convenientemente, se deposita sobre la rejilla metálica una capa de un metal más precioso, seleccionado de oro, platino, paladio, rutenio, o sus combinaciones.

Preferiblemente, el grupo ordenado de pilas electroquímicas es de pilas de combustible.

Convenientemente, la membrana de intercambio de protones comprende un polímero perfluorado de ácido sulfónico.

Para que la invención pueda entenderse más fácilmente, y para que puedan apreciarse más características de la misma, la invención se describirá ahora, a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos en los que:

La figura 1 ilustra un apilamiento de pilas de combustible de tipo filtro prensa estándar, que muestra la disposición en placas de pilas bipolares y las placas de los extremos,

La figura 2 es una vista de un corte transversal de un ensamblaje estándar de membrana y electrodos para pilas de combustible PEM,

Las figuras 3A y 3B son vistas de cortes transversales de dos ensamblajes diferentes de membranas y electrodos,

La figura 4 es una ilustración de los componentes de una pila de combustible monopolar conforme con la invención,

La figura 5 es una vista de una lámina de metal expandido adecuada para usar como elemento conductor en las realizaciones de la invención,

La figura 6A es una vista frontal de los cátodos de una cara de una aleta,

La figura 6B es una vista de un corte transversal, cortada verticalmente cerca del centro de la figura 6A, y

La figura 6C es una vista de un corte transversal, cortada horizontalmente cerca del centro de la figura 6A.

Los ensamblajes de membrana y electrodos usados en la realización descrita de la presente invención comprenden una membrana de intercambio de protones (PEM), capas de catalizador sobre cada lado de la PEM, y capas de difusión de gases sobre las capas de catalizador. Los electrodos de difusión de gases, su construcción y fabricación, se describen de manera general en la patente de EE.UU. 5.460.705, de Murphy et al. La PEM preferida es generalmente de un material polimérico que tiene grupos funcionales sulfonato contenidos en una cadena principal de carbonos fluorados, tal como polímeros perfluorados de ácido sulfónico, disponibles bajo la marca registrada NAFION, de Du Pont de Nemours, E.I. & Co. de Wilmington, Delaware. Las capas de difusión de gases comprenden preferiblemente un papel o tela conductora de carbono. En una realización preferida, un catalizador de platino está soportado sobre el papel de carbono antes de un prensado en caliente con la PEM.

Se prefiere que el gas reductor se distribuya a los ánodos desde un recipiente de suministro a través de una válvula de alimentación que regule la presión y una línea de alimentación conectada a la cámara del gas reductor. La superficie del ánodo de cada pila individual se expone directamente al gas reductor en la cámara y no requiere campos de flujo del ánodo encerrados para la distribución del gas reductor. Ya que la cámara del gas reductor permite al gas reductor que fluya libremente sobre la superficie del ánodo, no es necesario comprimir el gas reductor para su distribución a través de conductos estrechos o campos de flujo. Por lo tanto, el gas reductor puede suministrarse a cualquier presión. Sin embargo, debe observarse que aunque la pila de combustible no requiera que el gas reductor, tal como hidrógeno, esté presurizado, se prefiere generalmente que el hidrógeno se almacene en un recipiente presurizado que pueda ser transportado con la misma pila. Se prefiere además que el hidrógeno presurizado se distribuya desde el recipiente hasta la cámara del gas reductor a través de un regulador reductor a una presión generalmente inferior a aproximadamente una atmósfera, pero lo más preferiblemente inferior a aproximadamente 13,78 kN/m^{2} (2 psi), para evitar desplazar los ensamblajes de membrana y electrodos fuera de sus bastidores.

La pila de combustible consume el combustible en el ánodo, produce agua en el cátodo y genera un flujo de electricidad para usar en diversas aplicaciones. El agua que se genera en el cátodo es útil para mantener la PEM húmeda, de modo que conduzca los protones eficazmente. El agua se evaporará desde la superficie del cátodo hacia el aire y proporcionará algo de refrigeración a las pilas. Sin embargo, debido a que no hay una fuente externa de agua a la PEM, no se debe permitir que el caudal de aire y la temperatura sequen la PEM.

En un aspecto de la invención, es posible fabricar los electrodos de las pilas con el mismo catalizador, preferiblemente platino (Pt) o una aleación que contenga platino, y cargando el mismo catalizador tanto en el ánodo como en el cátodo. Por lo tanto, los electrodos pueden cortarse, manejarse y fabricarse sin tener en cuenta su orientación. Esto puede ser ventajoso en algunas aplicaciones, ya que el ánodo y el cátodo no pueden distinguirse solamente por su apariencia. Por otra parte, debido a que el Pt tiene una mayor actividad catalítica para el hidrógeno gaseoso que para el oxígeno gaseoso, se obtiene una pila con mejor utilización del metal precioso cuando la carga de platino es inferior sobre el ánodo que sobre el cátodo.

Las láminas y otros componentes de la presente invención pueden ensamblarse y acoplarse de muchas maneras diferentes, y por muchos medios diferentes, como se reconocerá en la técnica. En particular, debe reconocerse que los componentes pueden sujetarse con sujetadores mecánicos, tales como pernos, tornillos, abrazaderas, bridas de sujeción, remaches, y similares, adhesivos, y soldadura de los componentes. Sin embargo, lo más preferido es que todos los componentes se sujeten usando adhesivo y soldadura, de modo que se añada una cantidad mínima de material a la pila de combustible, y se necesite un número mínimo de partes. También se prefieren generalmente procedimientos de unión, ya que este tipo de ensamblaje puede automatizarse fácilmente.

Una realización de la invención proporciona un miembro eléctricamente conductor dispuesto dentro del electrodo, antes que tener una capa de tela conductora y un bastidor conductor dispuesto a lo largo de una cara del perímetro del electrodo. El miembro eléctricamente conductor puede ser una lámina de malla metálica o hilo metálico, tal como hilo metálico tejido, preferiblemente una malla de metal expandido. La malla de metal expandido u otro miembro eléctricamente conductor tiene preferiblemente una mayor parte de área abierta de la que tiene el papel o tela de carbono, para aumentar el flujo de gas hacia y desde las áreas catalizadoras. El miembro conductor puede ser también metal expandido, lámina metálica perforada, espuma metálica, polímeros intrínsecamente conductores, tela de grafito, o polímeros intrínsecamente no conductores mezclados con partículas, fibras o escamas conductoras. El miembro conductor preferido es una rejilla metálica de titanio, níquel, cobre, acero inoxidable, aluminio, niobio, o sus combinaciones.

Haciendo referencia ahora a las figuras 3A y 3B, se describen las estructuras de dos diferentes ensamblajes de membrana y electrodos (M y E), que tienen específicamente la finalidad de ser usados en un apilamiento de pilas electroquímicas en forma de pilas de combustible monopolares, en las que el elemento interno eléctricamente conductor 82 del ánodo de una pila se extiende y forma el elemento conductor del cátodo de una pila adyacente.

Haciendo referencia a la figura 3A, una rejilla metálica 82 está incrustada en la superficie anterior del electrodo 80, y está en contacto directo tanto con la parte electrocatalíticamente activa 56 del electrodo como con la membrana 54. El electrodo 80 incorpora una capa de difusión de gases 58 sin catalizador. La parte electrocatalíticamente activa 56 es preferiblemente una capa de una mezcla de negro de platino y ácido perfluorosulfónico, o puede comprender una mezcla de negro de platino y politetrafluoroetileno. La ventaja de esta disposición es un buen contacto eléctrico con el electrocatalizador, para una recogida de corriente eficaz y la menor interferencia con la difusión de gases dentro del electrodo.

La figura 3B muestra una configuración M y E 85 con la rejilla metálica 82 en el centro del electrodo, entre la capa de difusión de gases 58 sin catalizador y la capa de electrocatalizador activo 56. Las ventajas de esta configuración son un buen contacto entre la rejilla 82 y el electrocatalizador 56 para una recogida de corriente eficaz y que no hay bloqueo de la interfase entre la membrana 54 y el electrocatalizador activo 56. Las desventajas de esta configuración son un procedimiento de fabricación más dificultoso y una posible interferencia con la difusión de gases dentro del electrodo.

Las rejillas metálicas de las figuras 3A y 3B proporcionan el soporte proporcionado normalmente por la tela de carbono o papel de carbono de los electrodos convencionales de difusión de gases, añadiendo conductividad en el plano al electrodo. Ya que la rejilla metálica está bastante próxima a la membrana en este diseño, es imprescindible que el metal no se corroa. La corrosión no sólo aumenta la resistencia de contacto entre la parte activa del electrodo y el bastidor de recogida de corriente, sino que los iones metálicos móviles que entran en contacto con la membrana pueden reemplazar a los protones en la membrana. El reemplazo de incluso una pequeña fracción de los protones en la membrana con iones metálicos mucho menos móviles conducirá a una caída significativa de la conductividad de la membrana. Este hecho impone el requisito que las rejillas tengan una resistencia de contacto baja y que sean resistentes a la corrosión. La mejor manera de impartir estas propiedades a un fragmento de material ligero es depositar sobre el metal una capa de un metal más precioso, tal como oro, platino, paladio o rutenio, o sus combinaciones, para protegerlo de la corrosión y mejorar los contactos eléctricos.

Otra ventaja de fabricar electrodos con un elemento conductor interno, con tal que la conductividad del electrodo resultante sea suficiente, es que ya no se necesita un bastidor de pila bipolar para conectar las pilas de manera consecutiva. Eliminar el bastidor de las pilas conduce a un apilamiento más pequeño y ligero.

La figura 4 es una vista en despiece ordenado de un sub-ensamblaje 120, que incluye un par de electrodos de difusión de gases 122, fabricados con rejillas metálicas conductoras bipolares internas, hechas conforme a la figura 3b. Los electrodos 122 comprenden cada uno una región catódica con catalizador activo 126, una región anódica con catalizador activo 128 y una barrera de gases 130 dispuesta entre ellas. Entre la región catódica de un electrodo y la región anódica de otro electrodo está dispuesta una membrana de intercambio de protones 132, que tiene preferiblemente un bastidor de PTFE 134. Aunque se muestra cada región catalítica activa con el catalizador depositado sobre una superficie de la matriz de difusión de gases, también es posible depositar un electrodo de capa delgada sobre la superficie de la membrana. En la primera situación, una superficie del electrodo de difusión de gases está catalizada sobre un lado de la barrera de gases, y la superficie opuesta está catalizada sobre el otro lado. En el último caso, el soporte de difusión está unido a la parte posterior del electrodo, y la matriz de difusión de gases puede fabricarse como una unidad simétrica, es decir, no es necesario depositar catalizador en ninguna lado de la misma.

En cualquier caso, los electrodos se ensamblan con una membrana PEM entre ellos, y una junta de ``bastidor de ventana'' de PTFE incluida para eliminar la posibilidad de cortocircuitos entre electrodos en el borde debido a un contacto físico del ánodo 128 y el cátodo 126. En esta geometría, cada rejilla tiene tanto un ánodo como un cátodo unidos a ella, y sirve como unión bipolar entre ellos. Esto elimina la necesidad de bastidores de pilas bipolares. En este diseño, los elementos conductores dentro de los electrodos sirven como elementos bipolares que conectan cada par de pilas adyacentes. Se incluyen los bastidores de PTFE para impedir cortocircuitos entre los electrodos en el borde.

La banda para barrera de gases 130 dispuesta a lo largo del centro de la rejilla metálica conductora puede fabricarse de varias maneras. Puede depositarse una banda polimérica usando un polímero de auto-curado, tal como siliconas, resinas epoxídicas y uretanos; un termoplástico o metales de fusión fácil, tal como de soldadura. La barrera también puede ser producida como parte del procedimiento de fabricación de la rejilla, comprendiendo la banda para barrera de gases 130 una región de metal no expandido. También puede apreciarse fácilmente por las personas expertas en la técnica que pueden usarse otros métodos para producir pilas de combustible ligeras, y tales métodos se consideran dentro del alcance de la presente invención.

También, puede ser adecuada una amplia variedad de materiales para usar como elemento metálico conductor dentro del electrodo de difusión de gases. Los aquí descritos son sólo ejemplos, el uso de los materiales no descritos aquí está dentro del alcance de la presente invención. El material preferido para elemento conductor es metal expandido, un producto fabricado perforando y estirando una lámina de metal u hoja metálica. Para unas prestaciones óptimas, el metal debe aplanarse después de la expansión para restablecer su grosor original.

La figura 5 muestra la forma básica de la lámina de metal expandido usada conjuntamente con esta invención. Las hojas de metal expandido con el diseño mostrado, así como otras, están disponibles de una amplia variedad de fabricantes, en un amplio intervalo de grosores, desde 0,076 mm (0,003'') hasta 2,5 mm (0,1'') o más, y pueden ser fabricadas a partir de varios metales, incluyendo, pero no limitados a, titanio, níquel, cobre, acero inoxidable, aluminio, y niobio. Están disponibles con áreas abiertas (el tanto por ciento del área de la lámina que comprende los agujeros) que varían desde 10% hasta 70%. Una lámina típica de metal expandido tiene dos direcciones principales. Para las mejores prestaciones, la lámina de metal expandido debe estar orientada de tal manera que la corriente fluya en la dirección paralela a la ``distancia larga'' del diamante, ya que la resistencia eléctrica es la más baja en esta dirección, como se muestra en la tabla I, que contiene algunas propiedades de metales expandidos típicos y otros materiales útiles para conformar la parte conductora de las estructuras de los electrodos, como se enseña aquí. Algunos de los materiales de esta tabla se doraron antes de las mediciones eléctricas, de modo que se reduce la resistencia de contacto.

TABLA I Propiedades de componentes conductores metálicos

	Grosor	DLDª	DCDª	Densidad	Resistividad	Resistividad	Fracción
Etiqueta	(cm)	(cm)	(cm)	superficial	(DLD)	(DCD)	abierta
				(g/cm^{2})	(m\Omegacm/cm)	(m\Omegacm/cm)	(%)
Ni nº1	0,028	0,167	0,125	0,01994	6,08	9,62	51
Ni nº2	0,028	0,172	0,125	0,01977	5,72	10,34	56,5
Ni nº3	0,0285	0,325	0,112	0,03046	2,79	10,0	43
Ni nº4	0,016	0,186	0,110	0,0493	1,78	4,68	35
Ni D^{b}	0,041	0,185	0,113	0,0383	2,62	9,25	41
Ti 77^{b}	0,009	0,138	0,075	0,0093	35	119	52
Acero
inox.	0,014	0,123	0,071	0,0288	33	82	31,4
080^{b}
Acero
inox.	0,009	0,1	0,079	0,0185	50	133	34
4/0^{b}
Acero
inox.	0,011	0,134	0,1	0,0219	42	123	40
100^{b}
			0,007
Cu 4/3	0,0172	0,14	4	0,0545	0,38	1,17	31
Cu 3/0	0,017	0,2	0,09	0,06958	0,26	0,93	37,8
Espuma
de Ni	0,05	n.a.^{c}	n.a.^{c}	0,0853	3,2^{d}	n.a.^{c}	68^{e}
Acero
inox.	0,0135	n.a.^{c}	n.a.^{c}	0,06	6,7^{d}	n.a.^{c}	38^{f}
perf.
Notas:
a DLD y DCD están definidas en la figura 11.
b No doradas.
c No aplicable, este material no es asimétrico.
d Resistividad en cualquier dirección, el material es simétrico.
e Calculado
f Valor del fabricante.

Las láminas metálicas perforadas son también adecuadas como componente conductor dentro del electrodo. Comparadas con el metal expandido, las láminas metálicas perforadas son generalmente más fuertes y más conductoras, pero presentan generalmente una fracción abierta más pequeña (< 40%), y son de este modo menos propicias para el intercambio de gases.

También son adecuados los productos de hilo metálico tejido. Comparados con el metal expandido, los productos tejidos tienen más área abierta (hasta 80%) para un intercambio de gases superior. Sin embargo, el procedimiento de tejido hace que los productos de hilo metálico tejido sean más costosos de fabricar que el metal expandido, y, debido a que la conductividad eléctrica requiere que la corriente fluya a través de un gran número de contactos de hilo metálico a hilo metálico, la resistividad es alta. Además, debido a la naturaleza tejida del material, cualquier lámina individual puede ser solamente tan delgada como dos veces el diámetro del hilo metálico.

Los electrodos convencionales de difusión de gases soportados por tela de carbono tienen una matriz de difusión de gases que consiste en polvo de carbono conductor unido entre sí, y a la tela de carbono, con politetrafluoroetileno (PTFE). Ya que el metal expandido tiene sustancialmente más área abierta que la tela de carbono, será ventajosa una modificación de la formulación de la matriz de difusión de gases. Se ha encontrado que reemplazar una parte del polvo de carbono con fibras de carbono conductoras finamente cortadas y divididas, produce una matriz de difusión de gases superior. La inclusión de fibras de carbono conductoras en la matriz de difusión de gases mejora la capacidad de la matriz para extenderse sobre los espacios grandes del metal expandido, u otro metal abierto, usado como soporte conductor.

Las figuras 6 (a-c) son tres vistas de una aleta que representan una disposición compacta de pilas de combustible. En esta disposición, dos series de pilas, fabricadas usando un elemento conductor común en los electrodos como elemento polar, están unidas a caras opuestas de un único bastidor polimérico, configurado para uso con combustible líquido.

La figura 6 (a) es una vista de la parte superior de un sistema de pilas de combustible de hidrógeno/aire 310, que muestra la vista de la parte superior de una aleta 311 que define una superficie catódica 313.

La figura 6 (b) es una vista de un corte transversal de la aleta 311, cortada verticalmente cerca del centro de la disposición mostrada en la figura 6 (a).

La figura 6 (c) es una vista de un corte transversal, cortada horizontalmente cerca del centro de la figura 31 (a).

En la disposición representada esquemáticamente en la figura 6, una gran fracción de la superficie externa del ensamblaje de pilas de combustible sirve como área catódica activa. Las aletas de la figura 6 pueden usarse como el elemento estructural básico en disposiciones más grandes. Estas aletas pueden funcionar también individualmente en suministros pequeños de potencia. Aunque la aleta de la figura 6 comprende dos series de cinco pilas cada una, para un número total de 10 pilas conectadas en serie, no hay limitaciones en el número de pilas que pueden conectarse de la manera descrita en la presente invención. Se consideran dentro del alcance de la presente invención disposiciones con un número mayor o menor de pilas. También, no es un elemento necesario de esta invención hacer aletas simétricas con el mismo número de pilas en los dos lados, disposiciones no simétricas son variaciones dentro del alcance de la presente invención. La disposición descrita en esta invención presenta alta flexibilidad. Se proporcionan modificaciones en el número de pilas y en su disposición en la presente invención, para que se obtenga un uso óptimo en cualquier aplicación particular.

Claims

1. Un aparato que comprende un grupo ordenado de pilas electroquímicas; teniendo cada pila electroquímica una membrana de intercambio de protones, un ánodo que comprende un elemento conductor y en contacto con un primer lado de la membrana de intercambio de protones, y un cátodo que comprende un elemento conductor y en contacto con un segundo lado de la membrana de intercambio de protones, caracterizado porque se usa una rejilla eléctricamente conductora integral común, que comprende una región anódica usada para conformar el ánodo de una primera pila, y una región catódica usada para conformar el cátodo de una segunda pila, estando dichas regiones separadas por una región para barrera de gases, constituyendo la rejilla un elemento conductor compartido por el ánodo de una pila y el cátodo de una pila adyacente para establecer una conexión eléctrica entre las pilas del grupo ordenado.

2. El aparato de la reivindicación 1, en el que la rejilla eléctricamente conductora está dispuesta dentro del ánodo de dicha primera pila y dentro del cátodo de dicha segunda pila.

3. El aparato de una cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, en el que el ánodo tiene una capa de electrocatalizador y una capa de difusión de gases, y en el que la rejilla eléctricamente conductora está dispuesta en contacto entre la capa de electrocatalizador activo y la capa de difusión de gases.

4. El aparato de una cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, en el que el cátodo tiene una capa de electrocatalizador y una capa de difusión de gases, y en el que la rejilla eléctricamente conductora está dispuesta en contacto entre la capa de electrocatalizador activo y la capa de difusión de gases.

5. El aparato de una cualquiera de las reivindicaciones 3 ó 4, en el que la capa de electrocatalizador comprende una mezcla de negro de platino y ácido perfluorosulfónico.

6. El aparato de una cualquiera de las reivindicaciones 3 ó 4, en el que la capa de electrocatalizador comprende una mezcla de negro de platino y politetrafluoroetileno.

7. El aparato de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la rejilla eléctricamente conductora se selecciona de malla metálica, hilo metálico tejido, metal expandido, lámina metálica perforada, espuma metálica, polímeros intrínsecamente conductores, tela de grafito, o polímeros intrínsecamente no conductores mezclados con partículas, fibras o escamas conductoras.

8. El aparato de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la rejilla eléctricamente conductora es una rejilla metálica.

9. El aparato de la reivindicación 8, en el que la rejilla eléctricamente conductora está hecha de un metal seleccionado de titanio, níquel, cobre, acero inoxidable, aluminio, niobio, o sus combinaciones.

10. El aparato de la reivindicación 8 ó 9, en el que sobre la rejilla metálica se deposita una capa de un metal más precioso, seleccionado de oro, platino, paladio, rutenio, o sus combinaciones.

11. El aparato de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el grupo ordenado de pilas electroquímicas se selecciona de pilas electrolíticas y pilas de combustible.

12. El aparato de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la membrana de intercambio de protones comprende un polímero perfluorado de ácido sulfónico.