ES2249989A1

ES2249989A1 - Minipila de combustible con sistema de cierre roscado.

Info

Publication number: ES2249989A1
Application number: ES200401921A
Authority: ES
Inventors: Igor Cantero Uribe-Echeberria; Francisco Jav. Rodriguez Parra; Hans-Jurgen Grande Telleria; Oscar Miguel Crespo
Original assignee: Celaya Emparanza y Galdos SA CEGASA
Current assignee: Celaya Emparanza y Galdos SA CEGASA
Priority date: 2004-08-02
Filing date: 2004-08-02
Publication date: 2006-04-01
Anticipated expiration: 2024-08-02
Also published as: EP1626455A3; JP2006049316A; ES2249989B1; EP1626455A2; US20060166065A1

Abstract

Minipila de combustible con sistema de cierre roscado caracterizada por disponer de dos conjuntos electrodo/membrana electrolítica/electrodo MEA ("MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY") situados respectivamente a ambos lados de un cuerpo central, delimitando un espacio anódico en el centro, y quedando dichos MEA ("MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY") junto con sus correspondientes colectores eléctricos fijados en su posición mediante sendos anillos que, mediante un procedimiento de roscado, aseguran una total hermeticidad del conjunto.

Description

Minipila de combustible con sistema de cierre roscado.

Campo de la invención

El objeto de la presente invención es una minipila de combustible con un sistema de cierre mediante roscado que permite la consecución de un perfecto sellado de la misma, obviando la utilización de otros sistemas de fijación comunes en el estado del arte previo tales como adhesivos, tuercas y tornillos u otros.

Por las características inherentes al diseño objeto de la presente invención, es posible la utilización de materiales constructivos convencionales, ligeros, económicos y fácilmente mecanizables, todo ello con un reducido número de piezas y resultando por tanto fácilmente industrializable, a diferencia de la mayoría de diseños propuestos en el arte previo.

Finalmente, esta minipila posee un diseño fácilmente adaptable a los voltajes y potencias requeridos por la aplicación final, y es fácilmente configurable para operar con hidrógeno, metanol u otros combustibles.

Estado de la técnica anterior

Las pilas de combustible se vienen consolidando como un método de generación energética capaz de superar algunas limitaciones e inconvenientes de las tecnologías convencionales, todo ello para un amplio abanico de aplicaciones. La mayor parte de la atención se viene dirigiendo tradicionalmente hacia las aplicaciones con mayores implicaciones estratégicas y económicas, como son el campo de la automoción y el de la generación distribuida. En el primero de ellos, las pilas de combustible presentan frente a la tecnología convencional la ventaja de su potencial independencia de los combustibles fósiles como principal argumento; en el segundo, su modularidad y flexibilidad para adaptarse a diferentes tamaños y potencias, así como una elevada eficiencia energética -particularmente si se adoptan soluciones de cogeneración de electricidad y calor residual-. Frente a estas ventajas, en la actualidad hay algunas barreras que están retrasando su aparición en el mercado: el elevado precio de sus componentes esenciales, su aún limitada durabilidad, y el problema de la selección y distribución del combustible.

Las aplicaciones portátiles y de baja potencia en general son el tercer campo de aplicación en consideración. Tradicionalmente se ha venido dedicando una menor atención a este campo debido probablemente a razones como una menor relevancia estratégica y económica en relación a los dos primeros -automoción y generación distribuida-. Sin embargo esta tendencia está empezando a variar paulatinamente. Hay dos razones fundamentales para ello: la primera de ellas es la menor importancia relativa en este campo de aplicación de limitaciones como el elevado precio de los componentes o la relativamente corta expectativa de vida de los sistemas actuales –como ejemplo, un coste de 5000

\euro

/kW y una durabilidad de 1000 horas puede ser inadmisible para automoción, pero aceptable para una aplicación nicho de baja potencia y alto valor añadido-. La segunda razón es que la introducción progresiva en el mercado de pilas de combustible en aplicaciones de pequeña potencia puede tener gran utilidad para dar a conocer la tecnología al consumidor, y para ir abriendo canales de distribución para los combustibles –sean metanol, hidrógeno u otros-, con vistas sentar las bases para una futura comercialización a gran escala.

Existen diversos campos concretos de aplicación en el ámbito de las bajas potencias que están recibiendo una amplia atención. En el rango más bajo de potencias, algunas de estas aplicaciones son: alimentación directa o cargadores de baterías para aparatos electrónicos de consumo (teléfonos móviles, agendas digitales u otros) con potencias entre uno y cinco watios, alimentación directa de ordenadores portátiles (desde 20 W), alimentación de sistemas de telecomunicación (desde unos 10 W), aplicaciones industriales de señalización (desde unos pocos W), sectores juguetero, etcétera. En todas estas aplicaciones, la principal ventaja de los sistemas de pilas de combustible frente a las baterías convencionales es su mayor capacidad de almacenamiento energético por unidad de peso y/o volumen, así como la instantánea recarga del combustible.

Las pilas de combustible de membrana polimérica son la tecnología de referencia para todo este rango de aplicaciones, fundamentalmente por su capacidad de funcionamiento a temperaturas relativamente bajas (desde cerca de 0°C hasta 80°C) y por su simplicidad, que permite en algunos casos prescindir de gran número de subsistemas auxiliares imprescindibles en otros tipos de pilas de combustible que complican y encarecen el sistema.

Desde el punto de vista tecnológico, la mayor parte de la atención se está dirigiendo hacia la optimización de los componentes activos de la pila: membranas electrolíticas duraderas, de bajo precio y con buena conductividad con independencia de la humedad, electro catalizadores resistentes al envenenamiento por impurezas o subproductos, con poco o nada de metales nobles, electrodos con una óptima formulación y bajo contenido de electro catalizador, etcétera. Por otra parte, a diferencia de las pilas de combustible de membrana polimérica convencionales (para potencias en general superiores a 50 W), en el caso de las mini o micropilas de combustible no existe un concepto de diseño estructural normalizado. Así coexisten numerosas propuestas de diseños que tratan de obtener una máxima compacidad y densidad de potencia, tratando de aportar soluciones a los problemas de sellado y evacuación de los subproductos (calor y vapor de agua) generados. En algunos casos se han propuesto diseños extremadamente complejos e intrínsecamente costosos de fabricar, haciendo uso de técnicas de litografía sobre obleas de silicio [CEA Grenoble], micro mecanizado de materiales cerámicos incluyendo subsistemas de recuperación y recirculación de agua [Motorola], o diseños basados en placas base de circuitos impresos [Journal of Power Sources 118 (2003)162-171 ], además de ciertos diseños de pilas de combustible con geometría poligonal, tubular o cilíndrica [US2003/0186100 A1, US2003/0021890 A1, US 2003/0180600 A1].

Ante esto, existe una oportunidad para explorar conceptos de diseño en los que prime la simplicidad constructiva y economía de materiales frente a la complejidad técnica, incluso a expensas de una cierta penalización de la densidad de potencia, todo ello con el objetivo de reducir el coste de los componentes estructurales de la minipila de combustible a través de la ausencia de complejos procesos de fabricación y la utilización de materiales estructurales de bajo coste y altas prestaciones.

Explicación de la invención y ventajas

El objeto de la presente invención es una minipila de combustible pasiva con unas características de máxima modularidad y flexibilidad, simplicidad de diseño, reducido número de componentes, todo ello haciendo uso de materiales convencionales de bajo coste económico y suficientes prestaciones, y con un diseño que garantiza el sellado del sistema frente a fugas indeseadas de combustible.

Este diseño de minipila de combustible es útil para operar con hidrógeno (procedente de reformado, hidrólisis, o descomposición química de hidruros), metanol en disolución acuosa, u otros combustibles, con sólo sustituir los conjuntos electrodo/membrana electrolítica/electrodo o MEA ("Membrane Electrode Assembly", según la nomenclatura anglosajona más extendida), si procede, por otros más adecuados al combustible empleado. La minipila de combustible objeto de la invención puede operar con el combustible o en modo estático (o "dead end", según la terminología anglosajona habitual) o en flujo continuo, en función de las necesidades particulares de cada caso.

La presente invención se refiere a la pila de combustible propiamente dicha, y no a otros sistemas auxiliares o anejos tales como el sistema de almacenamiento y dosificación del combustible, parte electrónica de acondicionamiento de la corriente u otros elementos que opcionalmente pueden formar parte del sistema global. Tampoco se refiere de manera específica a las características particulares de la parte electroquímicamente activa de la pila, esto es, los MEA ("MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY").

Por pila de combustible pasiva se entiende una pila de combustible que, en su concepción más simple, es capaz de funcionar sin elementos auxiliares para el control de la temperatura o humedad interna de la misma, ni medios para la alimentación forzada de combustible u oxidante.

La modularidad y flexibilidad de la minipila de combustible objeto de la presente invención se refiere a la versatilidad de diseño de la misma, que permite disponer de todo un abanico de posibilidades en cuanto a número de celdas elementales y superficie electródica de las mismas (en general, a partir de aproximadamente 1 cm^{2}), lo que a su vez permite construir sistemas con unas características nominales de tensión y corriente a medida de la aplicación particular en consideración.

La minipila de combustible objeto de la invención se basa en una disposición contigua, sobre el plano, de las celdas elementales. Existen por lo tanto dos opciones fundamentales para la configuración de la minipila: en la opción preferida el diseño parte de un denominado módulo elemental compuesto por dos celdas unitarias simétricamente dispuestas a ambos lados de un compartimento anódico común, a través del cual se difunde el combustible gaseoso o líquido, quedando la cara externa de ambas celdas expuesta al aire, que actúa como oxidante catódico, como se describirá con más detalle en párrafos sucesivos. La interconexión lateral de módulos de este tipo conducirá a minipilas con un número par de celdas unitarias en ambas caras del sistema, optimizándose de esta forma la utilización de toda la superficie disponible y conduciendo a una potencia específica relativamente elevada.

En la segunda opción, de interés para dispositivos en los que pueden existir dificultades para el acceso del oxígeno del aire a una de las caras de la minipila, por ejemplo en aplicaciones en que la misma deba descansar apoyada sobre una de las caras, es también posible la disposición de las celdas unitarias por un solo lado del compartimento anódico, quedando el otro ciego. Esta opción presenta la ventaja de poder adaptarse más fácilmente a ciertas aplicaciones específicas, si bien en general conducirá a potencias específicas menores que en la opción preferida, con celdas por las dos caras.

En el espíritu de la presente patente de invención esta opción queda considerada por tanto como un caso particular evidente de la opción general, en la que se disponen las celdas a ambos lados del sistema, y que es la que se describe en los sucesivos párrafos.

Cada celda unitaria está compuesta por un MEA ("MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY"), que a su vez se encuentra dispuesto entre sendos colectores electrónicos. Estos colectores son en su concepción básica una placa metálica de pequeño espesor (inferior a un milímetro, en general, idealmente entre 0.1 y 0.5 mm) que permite el flujo de electrones hacia el electrodo anódico y desde el electrodo catódico del MEA ("MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY"), respectivamente. Estos colectores deben disponer así mismo de una serie de perforaciones que permitan el acceso de los reactivos y productos de la reacción electroquímica hacia y desde los electrodos, reactivos y productos que pueden presentarse en fase gaseosa (p.ej. hidrógeno), líquida (p.ej. metanol acuoso) o vapor (vapor de agua). Estos colectores deben satisfacer una adecuada rigidez mecánica, una elevada conductividad eléctrica superficial y de contacto, así como una suficiente inercia química frente a la corrosión. Algunos materiales adecuados para estos colectores pueden ser el acero inoxidable, opcionalmente recubierto de una capa protectora contra la pasivación, o titanio nitrurado, a modo de ejemplo. Resulta necesario que los colectores electrónicos tengan una forma circular, resultando altamente conveniente a su vez que las superficies electródicas sean de la misma forma circular, con el fin de optimizar el espacio disponible.

Ambos conjuntos colector-MEA-colector se disponen a ambos lados de un cuerpo central hueco, delimitando así el anteriormente citado compartimento anódico. Dicho cuerpo central debe disponer de un orificio de entrada y generalmente otro de salida para la alimentación del combustible al compartimento anódico y su circulación, sea éste líquido o gaseoso. Una de las principales características de la invención es el método utilizado para el ensamblaje de los conjuntos colector-MEA-colector sobre el cuerpo central mediante un procedimiento de roscado. Así, cada conjunto colector-MEA-colector es presionado perimetralmente por un anillo con una rosca en su perímetro exterior (a modo de macho), que se enrosca sobre el cuerpo central (el cual dispone a su vez de un roscado hembra a tal efecto) hasta hacer tope sobre una repisa que a su vez delimita perimetralmente el compartimento anódico. La presión ejercida por el anillo sobre, sucesivamente, el colector catódico, el MEA ("MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY"), el colector anódico y la citada repisa, permiten la consecución de un adecuado sellado en la zona perimétrica y adyacente a la superficie electródica. Con el fin de optimizar las características de sellado, especialmente en casos críticos en que se opte por alimentar combustibles gaseosos a cierta sobrepresión con respecto a la atmosférica, se pueden disponer optativamente diferentes medios para garantizar aún más el sellado con el fin de evitar riesgo de fugas indeseadas. Por ejemplo, se puede disponer una junta plana entre la citada repisa y el colector anódico, o incluso de una junta tórica alojada en un canal grabado en la repisa. El diseño descrito en esta patente hace innecesario disponer de ningún tipo de elemento de sellado adicional entre el colector catódico y el anillo macho. Alternativamente al método de roscado, pero basándose en un concepto de filosofía similar, se puede emplear un sistema de pestañas con plano inclinado del tipo de los utilizados en los cierres del compartimento de las pilas botón en pequeños aparatos electrónicos.

Una de las cualidades esenciales de la presente invención, como es la sencillez de diseño, implica la posibilidad de utilizar materiales constructivos económicos para la construcción de los componentes estructurales pasivos, como son el denominado cuerpo central y los anillos de cierre. Así, estos pueden ser mecanizados o moldeados utilizando materiales plásticos convencionales, termoplásticos o termoestables, con sólo cumplir unos requisitos básicos de estabilidad dimensional y química. Así, pueden utilizarse materiales tales como poliolefinas (polietileno o polipropileno), plásticos halogenados como policloruro de vinilo, politetrafluoretileno u otros, plásticos técnicos como poliamidas, poliésteres alifáticos, policarbonato, poliacetales u otros, materiales poliméricos de altas prestaciones o de ingeniería como poliéteretercetonas, poliamidaimidas, polisulfonas, poliimidas, poliéterimidas, poliésteres aromáticos, polióxidos aromáticos, polímeros térmicamente estables como polibencimidazol o poliquinoxalinas, polímeros cristales rígidos, u otros materiales similares, así como su mezclas o aleaciones. Entre los materiales termoestables reticulados se pueden incluir resinas fenólicas, poliésteres, resinas epoxi u otros, preferentemente con refuerzos tales como fibra de vidrio u otros composites similares. Alternativamente, dichos componentes estructurales pueden ser realizados en materiales cerámicos técnicos.

Como se ha mencionado, los colectores de corriente deben disponer de una zona central perforada, permeable a los gases y vapores. Para una óptima configuración del sistema, esta zona permeable no debería extenderse a todo el colector, sino sólo a la zona en contacto físico con el electrodo anejo. Así, resulta conveniente –pero no intrínsecamente imprescindible- que la zona perimetral en la que se apoya el anillo roscado carezca de perforaciones con el fin de asegurar el sellado del sistema, tanto más en el caso del colector anódico.

Alternativamente, en lugar de una placa metálica perforada, se pueden disponer como colector eléctrico otros elementos siempre que se cumplan las premisas básicas de rigidez mecánica (para evitar combamientos con pérdida de contacto eléctrico entre el colector y el MEA ("MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY")), adecuada permeabilidad, y adecuada estabilidad química con el fin de mantener una alta conductividad eléctrica. Así, por ejemplo, se pueden utilizar mallas metálicas, espumas metálicas rígidas de célula abierta, placas de material polimérico rígido (composite o polímeros de ingeniería) o cerámico con conductividad eléctrica en la superficie (por metalizado superficial) o en la masa (por carga con negros de carbono, partículas metálicas o polímeros conductores de la electri-
cidad).

Dadas las características intrínsecas de las pilas de combustible, que dan lugar a voltajes de celda útiles en general demasiado bajos como para ser utilizados directamente en aplicaciones prácticas (en el caso de las pilas de hidrógeno, generalmente por debajo de 1 V, y en el de las pilas de combustible de metanol directo, generalmente por debajo de 0.7 V), resulta conveniente disponer un determinado número de celdas unitarias conectadas en serie. Así, los colectores de corriente deben disponer de un medio para permitir la interconexión eléctrica de unas celdas unitarias con otras (bien en serie o bien en paralelo, en función de las circunstancias particulares). En la opción preferida, esta interconexión puede realizarse a través de una lengüeta o pestaña plana lateral (confiriendo al colector una forma de tipo "raqueta"), que permite, a través de conexiones eléctricas externas al cuerpo de la pila de combustible propiamente dicha establecer los contactos adecuados. Estas pestañas se pueden alojar en un rebaje realizado en la rosca hembra del cuerpo central. Una opción alternativa es la conexión directa de un cable eléctrico en el centro de un colector circular, mediante técnicas como la soldadura de punto, arco eléctrico u otras. Esta opción presenta la dificultad de que el cable de conexión de cada colector anódico pasa a ocupar parte del compartimento anódico, y debe atravesar el cuerpo central para permitir su salida al exterior de la minipila propiamente dicha, donde se realizarán las conexiones oportunas.

En el caso de funcionar con hidrógeno como combustible, para un voltaje nominal de operación típico de 0.6 V, un módulo elemental de los descritos, con dos pilas elementales conectadas en serie, ofrecería un voltaje operativo de 1.2 V. Estos valores siguen siendo relativamente bajos para la mayor parte de las aplicaciones prácticas, con lo que en general resulta deseable conectar más de dos celdas unitarias en serie para acceder a voltajes mayores.

Dibujos y referencias

Para complementar la descripción y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción un juego de dibujos donde, con carácter ilustrativo y no limitativo.

La figura 1 muestra una representación esquemática de un módulo elemental bicelda de minipila de combustible, visto desde una de sus caras.

La figura 2 muestra una representación esquemática de un módulo elemental bicelda de minipila de combustible, visto desde un lateral.

La figura 3 muestra una representación esquemática de un colector de corriente.

La figura 4 muestra una representación esquemática del despiece del módulo elemental bicelda de pila de combustible.

La figura 5 muestra esquemáticamente algunas de las posibilidades existentes de combinar módulos bicelda para configurar minipilas de combustible con 4 celdas individuales (Figura 5A), 6 celdas individuales (Figura 5B y Figura 5C) o 10 celdas individuales (Figura 5D).

La figura 6 muestra una curva de polarización obtenida experimentalmente con un módulo bicelda similar al esquematizado en la figura 1, utilizando en este caso hidrógeno como combustible y oxígeno del aire como oxi-
dante.

En estas figuras están indicadas las siguientes referencias:

1.-: Cuerpo

2.-: Anillo de cierre

3.-: Colector eléctrico catódico

4.-: Colector eléctrico anódico

5.-: Junta

6.-: MEA (Membrane Electrode Assembly)

7.-: Sellado adicional

8.-: Puerto de conexión de combustible

9.-: Rebaje

10.-: Rebaje

11.-: Parte central permeable

12.-: Zona perimetral no permeable

13.-: Lengüeta de conexión eléctrica

13a.-: Lengüeta de conexión eléctrica del colector catódico de la celda 1

13b.-: Lengüeta de conexión eléctrica del colector anódico de la celda 1

13c.-: Lengüeta de conexión eléctrica del colector catódico de la celda 2

13d.-: Lengüeta de conexión eléctrica del colector anódico de la celda 2

Exposición de una realización preferente

El módulo elemental cuya planta se representa esquemáticamente en la figura 1 está compuesto por dos celdas individuales, una de ellas en la cara frontal, vista, y la otra en la parte posterior, simétrica con respecto a la anterior, no-visible desde el punto de vista del lector. Por celda elemental nos estamos refiriendo al conjunto que forman un MEA ("MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY"), su colector anódico y su colector catódico. El citado módulo elemental consta por lo tanto de un cuerpo central (1) sobre el que se encuentran fijadas ambas celdas individuales. La forma octogonal de dicho cuerpo central tiene aquí únicamente un valor ilustrativo con la finalidad de facilitar la interpretación de los dibujos, pudiendo tener cualquier otra forma geométrica en función de las necesidades particulares de cada caso. La descripción siguiente se refiere a la celda individual vista, entendiéndose que en la parte posterior, no vista, se encuentra otra celda individual similar.

Cada celda individual se encuentra fijada al cuerpo 1 mediante ti un anillo de cierre (2), roscado al cuerpo (1). Dicho anillo de cierre deja expuesto al aire al colector catódico (3) correspondiente, el cual consta de una serie de poros, orificios, perforaciones o huecos (representados esquemáticamente en la figura 1 mediante una cuadrícula) que permiten el paso del oxígeno del aire al cátodo de la celda individual correspondiente. Las pestañas (13a), (13b), (13c) y (13d) representan las lengüetas de los colectores eléctricos, a través de las que se pueden realizar las conexiones eléctricas de la minipila, de tal forma que la lengüeta (13a) corresponde al colector catódico de la celda individual frontal y la (13b) al anódico. Con respecto a la celda individual de la parte posterior, la lengüeta (13c) corresponde con su colector catódico y la (13d) con el anódico. Así, si se deseara conectar en serie ambas celdas individuales del módulo bicelda representado, se puede por ejemplo conectar la lengüeta (13b) con la (13c), dejando la (13a) y la (13d) como polos positivo y negativo, respectivamente. Existen otras alternativas a la utilización de lengüetas como las descritas para la conexión eléctrica entre los colectores eléctricos, presentándose lo anterior como una de las posibles opciones existentes a efectos descriptivos. En la misma figura se representan mediante sendos salientes (8) dos puertos de conexión para el combustible, de tal manera que uno de ellos sirva de entrada y el otro de salida, en este último caso para permitir una conexión externa con otros módulos de minipila de combustible, con una válvula de purgado automático, u otras finalidades. Análogamente, se podría prescindir de uno de dichos puertos de conexión (8), si se desea constar únicamente con un puerto de entrada, sin
salida.

La figura 2 representa una vista lateral a 45° del alzado del cuerpo central de la figura 1. En ella se observa un puerto de conexión de combustible (8), así como sendos rebajes (9) y (10) con la función de alojar las lengüetas (13a) y (13b) por un lado, y (13c) y (13d) por el otro, respectivamente. La figura 3 representa un colector eléctrico (3 ó 4) en el que se puede apreciar una parte central permeable (11) coincidente con la superficie electródica de la pila, una zona perimetral (12) densa, no permeable, esto es, sin perforaciones o huecos, con la finalidad de evitar penalizar la hermeticidad del conjunto, y una lengüeta (13) de conexión eléctrica.

La figura 4 representa la sección del despiece de un módulo elemental bicelda como el descrito en la figura 1. En ella se puede observar la disposición simétrica de cada una de las dos celdas elementales, una en la parte superior del dibujo y otra en la parte inferior. Así, cada uno de los anillos (2) fija en su posición mediante roscado a los siguientes elementos de que consta cada una de las celdas elementales: un colector catódico (3), un colector anódico (4), sendas juntas (5), y un MEA ("MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY") (6). Adicionalmente se puede disponer de un elemento de sellado adicional (7), entre el colector anódico (4) y el cuerpo (1). El conjunto colectores/juntas/MEA ("MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY") es fijado en su posición mediante el anillo (2) por roscado sobre el cuerpo (1); dicha rosca queda representada por el fileteado (14). Dicho conjunto se apoya sobre un resalte anular 16, dejando un espacio anódico (15). Dicho espacio anódico puede quedar vacío, o bien puede albergar opcionalmente elementos funcionales tales como: promotores de turbulencia (especialmente para el caso de combustibles líquidos disueltos), elementos absorbentes de humedad (especialmente para el caso de combustibles gaseosos como el hidrógeno, para retener un exceso de condensación, y a su vez liberar esta humedad durante los periodos de no-funcionamiento evitando una desecación prematura de las membranas electrolíticas), u otros. Las perforaciones (8) representan los canales de entrada y, si se considera oportuno, de salida del combustible no utilizado.

Todo lo descrito en las figuras anteriores corresponde con la disposición más simple posible de la tecnología de minipilas de combustible objeto de esta invención, con únicamente dos celdas individuales. En la práctica puede ser generalmente deseable disponer de minipilas de combustible con más de dos elementos conectados en serie, con el fin de conseguir voltajes superiores. En la figura 5 (A, B, C y D) se muestran de modo esquemático, y con una finalidad ilustrativa y no restrictiva, algunas de las disposiciones que cabe concebir, en las que se combinan varios módulos bicelda como el descrito. Así, la figura 5A representa una minipila cuádruple (con cuatro celdas individuales en total, a razón de dos por cada lado), las figuras 5B y 5C una minipila séxtuple en dos configuraciones diferentes, y la figura 5D representa finalmente una configuración de diez celdas.

Hay que decir que la combinación de dichos módulos bicelda no tiene necesariamente que ser a través de módulos discretos como el de la figura 1, sino que los diseños de la figura 5 u otros similares pueden ser monolíticos, con un cuerpo central común que alberga una serie de compartimentos anódicos los cuales a su vez quedan delimitados por sendas celdas elementales, una a cada lado del mismo, tal y como se expresa en la figura 4. Los diseños A a D pueden tener uno o más puntos de entrada y/o salida de combustible, existiendo en general diversas opciones para la distribución interna del combustible a través de canales u orificios internos realizados sobre el cuerpo central, al estilo de los orificios (8) de la figura 4. Los diseños A a D están dispuestos en el plano, quedando abierta la posibilidad de disponer dos o más módulos multicelda como éstos en paralelo entre sí, para incrementar aún más el voltaje nominal y obtener dispositivos de mayor potencia.

Ejemplo 1

Para demostrar el concepto se preparó una minipila de combustible bicelda (esto es, con dos celdas elementales) con un área activa de electrodo de 5 cm^{2}. Dicha minipila de combustible, constaba de un MEA ("MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY") adecuado para funcionar con hidrógeno como combustible y aire como oxidante en condiciones pasivas, esto es, sin elementos auxiliares de calefacción, refrigeración, humidificación ni impulsión forzada de los reactantes, accediendo el hidrógeno al compartimento anódico mediante una pequeña sobrepresión regulada por una válvula dispuesta a tal efecto en el dispositivo de almacenamiento del mismo (externo a la minipila de combustible propiamente dicha), y el aire por convección natural. En la figura 6 se presenta una curva de polarización característica para este sistema, que como se puede observar da una potencia de 1.1 W a 1.1 V con una corriente de 1 A, llegando la potencia máxima hasta prácticamente 1.4 W.

Ejemplo 2

El diseño del módulo bicelda descrito presenta la ventaja de que puede ser fácilmente extrapolado a módulos con un mayor número de celdas, en general en un número par, mediante la disposición lateral anexa de diversos módulos bicelda. Esta disposición se puede hacer mediante módulos bicelda elementales discretos, de tal forma que la salida de combustible no utilizado de cada uno de ellos esté conectada a la entrada del siguiente, y con las conexiones eléctricas oportunas. Sin embargo resulta mucho más conveniente en aras de la compacidad del sistema disponer todos estos módulos bicelda en un cuerpo central común, monolíticos, con tantos compartimentos anódicos como módulos bicelda, conectados entre sí por un canal de paso para permitir la correcta distribución del combustible. Así, resulta relativamente sencillo diseñar y construir módulos con dos (el ya descrito), cuatro, seis, ocho o más celdas unitarias, dando lugar a unas tensiones nominales totales típicas, si se conectan todas las celdas en serie, de 1.2 V, 2.4 V, 3.6 V y 4.8 V respectivamente.

La corriente eléctrica generada será función de diversos parámetros (naturaleza y contenido en electrocatalizadores en los electrodos, naturaleza y estado de las membranas electrolíticas, voltaje de operación, etcétera), pero especialmente del área activa de electrodo. Con fines ilustrativos, considerando unas prestaciones típicas de 150 mA/cm^{2} a 0.6 V para una minipila de combustible pasiva alimentada por hidrógeno seco, y un área activa de electrodo de 7 cm^{2} (circular de diámetro de 3 cm), se obtienen las siguientes prestaciones nominales para módulos con entre 2 y 8 celdas unitarias:

N° de celdas	Voltaje nominal (referido	Corriente nominal (para 7 cm^{2}	Potencia nominal
por módulo	a 0.6 V por celda)	de área activa)	aproximada
2	1.2 V	1050 mA	1.3 W
4	2.4 V	1050 mA	2.5 W
6	3.6 V	1050 mA	3.8 W
8	4.8 V	1050 mA	5.0 W

La combinación en un sistema común de varios de estos módulos conectados eléctricamente en serie, y con una alimentación de combustible preferentemente en paralelo para evitar una excesiva acumulación de agua en los últimos compartimentos anódicos de la serie, conducirá a voltajes y potencias totales múltiplo del número de módulos como los descritos conectados. Así por ejemplo, la combinación en un sistema común de cuatro módulos de ocho celdas individuales de las anteriores conduciría a un generador de 19.2 V y 20 W nominales. Estos datos orientativos tienen por finalidad ilustrar la versatilidad y flexibilidad del diseño de partida, que en el caso expuesto permite abarcar potencias en el rango entre 1 y 30 W aproximadamente.

Claims

1. Minipila de combustible con sistema de cierre roscado caracterizada por disponer de dos conjuntos electrodo/membrana electrolítica/electrodo (MEA ("MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY")) situados respectivamente a ambos lados de un cuerpo central, delimitando un espacio anódico en el centro, y quedando dichos MEA ("MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY") junto con sus correspondientes colectores eléctricos fijados en su posición mediante sendos anillos que, mediante un procedimiento de roscado, aseguran una total hermeticidad del conjunto.

2. Minipila de combustible con sistema de cierre roscado según la reivindicación primera, caracterizada porque, por disponer de unos MEA ("MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY") específicos, opera como pila alimentada por hidrógeno (puro o reformado) y aire.

3. Minipila de combustible con sistema de cierre roscado según la reivindicación primera, caracterizada porque, por disponer de unos MEA ("MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY") específicos, opera como pila metanol/aire, en la que el metano) se encuentra en disolución acuosa.

4. Minipila de combustible con sistema de cierre roscado según la reivindicación primera, caracterizada porque, por disponer de unos MEA ("MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY") específicos, opera con otros combustibles líquidos oxigenados tales como alcoholes (etanol, 1- y 2-propanol, etilén glicol, glicerol u otros similares) y otros compuestos con mayores grados de oxidación como éteres (dimetil éter, dimetoximetano o trimetoxi metano), aldehídos (formaldehído, glioxal) o ácidos (ácido fórmico, ácido acético) entre otros.

5. Minipila de combustible con sistema de cierre roscado según la reivindicación primera caracterizada porque, por disponer de unos MEA ("MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY") específicos, opera con otros combustibles no oxigenados como hidruros químicos del tipo del tetrahidroborato sódico (NaBH4) en disolución alcalina.

6. Minipila de combustible con sistema de cierre roscado, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque está previsto que se estructure con un número de celdas par y superior a dos, entre cuatro y veinte, construida por yuxtaposición lateral plana de un cierto número de módulos bicelda como el descrito en la reivindicación 1, en módulos discretos interconectados o como monolito con un cuerpo central común, y capaz de operar con combustibles tales como los reflejados.

7. Minipila de combustible con sistema de cierre roscado o de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque está previsto que se estructure compuesta por la superposición en paralelo de un cierto número, en general entre 2 y 100, de módulos multicelda como los descritos en la reivindicación 6, con una separación entre sí suficiente para permitir el acceso del aire a los cátodos de las celdas individuales (por difusión espontánea o con un elemento ventilador anexo), configurando un generador de potencia superior.

8. Minipila de combustible con sistema de cierre roscado de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones primera a o séptima, caracterizada porque está previsto que se estructure pero con celdas unitarias por un solo lado del compartimento anódico.