ES2339529T3 - Bateria de pilas combustible con conexiones de gas internas. - Google Patents

Abstract

Una batería de pilas de combustible con una pluralidad de pilas de combustible en forma de placa, que están conectadas mecánica y eléctricamente por placas bipolares (4); comprendiendo cada batería de pilas de combustible un ánodo (1), un cátodo (3) y una capa de electrolito (2) dispuesta entre el cátodo y el ánodo; estando adyacente cada cátodo a un cámara catódica (8) y estando cada ánodo adyacente a una cámara anódica (7); comprendiendo las placas bipolares unas aberturas dispuestas para formar unos canales (5, 6) para la alimentación de materiales de funcionamiento a las pilas de combustible o para la retirada de materiales de funcionamiento agotados; comprendiendo cada placa bipolar al menos una abertura adicional (11) en la cual se dispone una pila de combustible; estando las dimensiones de la al menos una abertura adicional adaptadas sustancialmente a las dimensiones de la pila de combustible; cubriendo el material de sellado, en una configuración capa-a-capa o franja a franja al menos un borde de límite entre la pila de combustible y la superficie adyacente de la placa bipolar en la cual se dispone la pila de combustible; estando dispuesto el material de sellado (10) capa-a-capa por encima de la otra abertura, para cubrir al menos una porción del borde de la pila de combustible dispuesta en la abertura; además, se dispone el material de sellado en la superficie adyacente de la placa bipolar; una porción del borde de una placa bipolar dispuesta como se indicó anteriormente cubre parcialmente una porción del borde de cada pila de combustible cubierta con el material de sellado.

Description

Batería de pilas de combustible con conexiones de gas internas.

La invención se refiere a una batería de pilas de combustible. Cada pila de combustible comprende una capa de electrolito, a la que se adjuntan un ánodo y un cátodo. Las pilas de combustible están conectadas mecánica y eléctricamente por placas bipolares. Junto con un electrodo adyacente, una placa bipolar incluye una cámara de electrodo. Si el electrodo es un ánodo, la cámara se denomina una cámara anódica. Semejantemente, la cámara adyacente al cátodo se denomina la cámara catódica. Cada cámara de electrodo comprende unas aberturas, que se utilizan para la aportación o la retirada de un material de funcionamiento.

Durante el funcionamiento de la pila de combustible, el material de funcionamiento se alimenta a cada cámara de electrodo. El material de funcionamiento es un combustible tal como hidrógeno o un oxidante, tal como oxígeno o aire. Los iones del material de funcionamiento, es decir, los iones de oxígeno, o los iones de hidrógeno penetran la capa de electrolito. El hidrógeno se combina entonces con el oxígeno para formar agua, generando una corriente eléctrica.

La separación estanca para el gas de la cámara del cátodo con la cámara anódica constituye un problema sustancial en una batería de pilas de combustible. Si el material de funcionamiento de la cámara anódica pudiera entrar en la cámara catódica directamente (o viceversa), la consecuencia sería una reacción de oxígeno-hidrógeno.

El problema de la estanqueidad es particularmente serio en el caso de las así llamadas pilas de combustible de alta temperatura, porque, además de la tensión de la temperatura, también se producen tensiones térmicas debidas al calentamiento y al enfriamiento de las pilas de combustible.

Una batería de pilas de combustible del tipo descrito anteriormente se describe en la especificación DE 40 09 138 A1. Se incorpora una pluralidad de aberturas en las placas bipolares, que se adaptan a las unas con las otras de manera tal que se forman consecuentemente los canales de alimentación y/o los canales de salida para los materiales de funcionamiento.

Ya se conoce una batería de pilas de combustible en la cual al menos un electrodo es suficientemente espesor para ser autoportante. En este contexto, se entiende que autoportante significa que tal electrodo conserva sustancialmente su forma si el electrodo horizontalmente orientado es sostenido por una esquina o un borde y levantado. La porción del electrodo que no se sostiene de este modo no se dobla como resultado de la gravedad.

Un electrodo autoportante de este tipo puede ser, por ejemplo, de 1,5 mm de espesor. Para ahorrar los materiales y asegurar la eficacia funcional del electrodo durante el funcionamiento, el electrodo debería ser lo más delgado posible. Esto requiere que un electrodo para pilas de combustible de alta temperatura según el estado actual de la técnica deba ser al menos de 0,5 mm de espesor.

La disposición de un electrodo autoportante permite el uso de una capa muy fina de electrolito en el electrodo. Es deseable una capa fina de electrolito, porque entonces éste se puede penetrar rápida y extensivamente por los iones del material de funcionamiento. Las prestaciones de una pila de combustible son mayores en proporción directa con el aumento del número de iones que puedan atravesar la capa del electrolito.

El problema de la estanqueidad en una batería de pilas de combustibles es particularmente difícil en las pilas de combustible de este tipo que comprenden un considerable espesor total debido al diseño anteriormente mencionado.

Haciendo referencia a las pilas de combustible con electrodos autoportantes, se conoce ya que se puede proporcionar canales desde los cuales el materiales de funcionamiento pase a los cámaras individuales de electrodo de una batería de pilas de combustible. Contrariamente a la técnica anterior, que se conoce a partir de la especificación DE 40 09 138 A1, estos canales están formados por elementos estructurales separados. Esto se entiende que significa que no se proporcionan las aberturas para la formación de canales según la especificación DE 40 09 138 A1 en el caso de las pilas de combustible con electrodos autoportantes. La disposición de elementos estructurales separados aumenta el problema de la estanqueidad del gas porque, en este caso, debe ser sellado un componente adicional, que, en algunas circunstancias, consiste en otro material, diferente del que se ha utilizado ya. De esto pueden resultar tensiones térmicas adicionales.

El objeto de la invención es crear una batería de pilas de combustible del tipo mencionado en la introducción, en la cual la estanqueidad se asegure de una manera mejorada.

El objeto de la invención se logra con una batería de pilas de combustible con las características de la reivindicación 1. A partir de las reivindicaciones dependientes son evidentes algunas realizaciones ventajosas.

La batería de pilas de combustible según las reivindicaciones comprende una pluralidad de pilas de combustible en forma de placas, que están conectadas mecánica y eléctricamente por unas placas bipolares. Cada pila de combustible comprende un cátodo, un ánodo y una capa de electrolito dispuesta entre el cátodo y el ánodo. Cada cátodo es adyacente a una cámara catódica, y cada ánodo es adyacente a una cámara anódica. Las placas bipolares proporcionan unas primeras aberturas por medio de las cuales se establecen unos canales para la alimentación de material de funcionamiento a las pilas de combustible o para la retirada de material de funcionamiento agotado. Unas primeras aberturas de esta clase son conocidas ya a partir de la especificación DE4009 138 A1. Por otra parte, las placas bipolares comprenden unas aberturas adicionales, en las cuales se disponen las pilas de combustible. Las dimensiones de estas aberturas adicionales y/u otras se adaptan sustancialmente a las dimensiones de la pila de combustible. Cuando la pila de combustible se dispone en las aberturas, es sustancialmente accesible abiertamente solamente desde un lado. Este lado o superficie abiertamente accesible está formado esencialmente por un electrodo de la pila de combustible. El material de sellado es dispuesto capa-a-capa por encima de la otra abertura, de modo que al menos una porción del borde de la pila de combustible dispuesta en la abertura sea cubierta por el material de sellado. Es suficiente que al menos 1 mm de esta superficie de pilas de combustible se cubre en el borde. Por otra parte, este material de sellado se dispone capa-a-capa sobre la superficie adyacente de una placa bipolar de manera tal que se proporcione el grado de sellado deseado. Con respecto al sellado, se debe prestar atención a las diversas aberturas, que forman los canales de alimentación y/o de salida, que deben estar conectados de una manera apropiada estancos al gas. Además, se debe prestar una atención particular a que la cámara catódica de una pila de combustible esté separada de una manera estanca al gas de la cámara anódica de esta pila de combustible. Proporcionando una abertura y extendiendo el material de sellado sobre los bordes de la pila de combustible, se logra una estanqueidad particularmente fiable. Las tensiones térmicas que resultan de los diversos materiales son no más evidentes en la práctica, porque el material de sellado se dispone predominante entre dos placas bipolares, que proporcionan naturalmente coeficientes de dilatación idénticos. Los diferentes coeficientes de dilatación de la pila de combustible no originan consecuencia alguna en la práctica porque, en este contexto, se logra la estanqueidad con un leve solape. El material de sellado no está en contacto con la pila de combustible a lo largo un área extensa, lo cual, con coeficientes de dilatación térmica diferentes, sería particularmente problemático.

Por otra parte, la estructura anteriormente mencionada es simple de fabricar, de modo que el dispositivo según las reivindicaciones tampoco origina problema alguno a este respecto.

Las ventajas anteriormente mencionadas con respecto a la estanqueidad se pueden lograr particularmente en baterías de pilas de combustible que usen pilas de combustible con al menos un electrodo autoportante. Un electrodo autoportante de esta clase tiene generalmente un espesor de al menos de 0,5 mm. El electrodo no debería exceder preferiblemente de un espesor de 1,5 mm, entre otras razones, para evitar que el gasto de materiales llegue a ser demasiado grande. Un espesor típico puede ser, por ejemplo, 1 mm.

En la práctica, ha demostrado ser acertado proporcionar el ánodo como un electrodo autoportante.

Por otra parte, las ventajas con respecto a la estanqueidad se alcanzan especialmente en el caso de las pilas de combustible destinadas a su uso a altas temperaturas. Se utiliza por tanto ventajosamente la invención para las pilas de combustible de alta temperatura. Las pilas de combustible de alta temperatura funcionan a temperaturas superiores a 600ºC. Generalmente no se excede en pilas de combustible de alta temperatura una temperatura de 1000ºC. Las temperaturas típicas están actualmente en la zona de los 800ºC.

En una realización de la invención, se utiliza como material de sellado vidrio de soldadura. El vidrio de soldadura tolera unas condiciones de funcionamiento que ienen lugar en una pila de combustible da alta temperatura. También tolera los cambios térmicamente determinados que son inevitables en una pila de combustible de alta temperatura.

La pila de combustible insertada en la abertura de una placa bipolar termina ventajosamente a ras de la superficie de la placa bipolar sobre la cual se aplica el material de sellado. Una tolerancia de aproximadamente \pm0,2 mm ha demostrado ser aceptable en la práctica. Si las superficies anteriormente mencionadas de pilas de combustible y/o de placa bipolar se disponen a la misma altura, la estanqueidad deseada entre la cámara catódica y la cámara del electrodo se asegura de una manera particularmente fiable. Ligeras desviaciones dentro del contexto de las tolerancias anteriormente mencionadas deterioran el efecto deseado solamente en un grado insignificante.

En otra realización de la invención, se dispone una malla metálica entre la base de la abertura y la pila de combustible dispuesta en la abertura. La malla establece el contacto eléctrico entre los electrodos de la pila de combustible adyacente a la malla y la base de la placa bipolar. Además, se pueden compensar las tolerancias de fabricación por medio de la malla.

Una pila de combustible rectangular o cuadrada proporciona dos superficies principales y cuatro bordes laterales. En la forma básica anteriormente mencionada, un borde lateral pasa perpendicularmente al borde lateral siguiente. Preferentemente, dos bordes opuestos de cada pila de combustible están enmarcados por placas bipolares. Las placas bipolares forman entonces una ranura, en la cual se encaja el borde relevante de la pila de combustible. En un lado de una superficie principal de la pila de combustible, el borde está separado de la placa bipolar sobrepuesta por el material de sellado. De este modo, la pila de combustible se incorpora a la batería de pilas de combustible de una manera mecánicamente estable.

A continuación se explicará la invención haciendo referencia a las Figs. 1 y 2.

La Fig. 1 muestra una batería de pilas de combustible, que comprende dos pilas de combustible. Cada pila de combustible comprende un ánodo autoportante 1. Se aplica una capa 2 de electrolito en el electrodo autoportante 1 y, sobre el mismo, se aplica un cátodo 3. Las placas bipolares 4 conectan las dos pilas de combustible eléctrica y mecánicamente la una con la otra. Las placas bipolares está provistas de unas aberturas 5 y 6 de manera tal que, consecuentemente, se forman unos canales para la alimentación y la retirada de los materiales de funcionamiento. Las cuatro aberturas 5 mostradas en la Fig. 1 tienen su origen en un plano secante delantero o trasero. Además, las placas bipolares están dotadas de unos surcos en los lados, que son adyacentes a los electrodos de las pilas de combustible. Las cámaras anódica 7 y catódica 8 están formadas por estos surcos. Cada pila de combustible se introduce en otra abertura de una placa bipolar asociada. El lado de la pila de combustible apartado de la abertura termina sustancialmente a ras de la superficie vecina de la placa bipolar. El material de sellado 9 y 10 se dispone capa-a-capa y/o franja a franja sobre la pila de combustible y la placa bipolar. El material de sellado al que se otorga la referencia número 10 se dispone por encima del borde que establece el límite entre la placa bipolar 4 y la pila de combustible que se introduce en la abertura de la placa bipolar. El material de sellado 10 se extiende por tanto desde la superficie principal correspondiente de la pila de combustible hasta la superficie vecina de la placa bipolar. Esto significa, en la práctica, que los cambios térmicos a lo largo de una superficie principal de la pila de combustible no ejercen ninguna otra influencia perjudicial en la porción del sello que se indica por la referencia número 10.

La Fig. 2 proporciona una vista detallada ampliada de la batería de pilas de combustible mostrada en la sección de la Fig. 1. Además, el corte según la Fig. 2 está girado 90º con respecto al corte de la Fig. 1.

Según la Fig. 2, se dispone una pila de combustible en una abertura 11 de una placa bipolar 4. se dispone una malla metálica 12 entre la base de la abertura 11 y la pila de combustible. La placa bipolar 4 adyacente al otro lado de la pila de combustible se dota de una capa 13 de contacto. Se establece un contacto eléctrico entre la placa bipolar y el cátodo adyacente 3 por medio de la capa 13 de contacto.

En la Fig. 2 se ilustra el enmarcado de un borde de una pila de combustible. El borde de la pila de combustible formado por el ánodo 1 se proyecta en una ranura originada por la forma de las placas bipolares. La ranura es una consecuencia de la abertura 11. El borde de la pila de combustible se proyecta en esta ranura y se enmarca en el sentido de la presente invención.

Los diagramas se refieren a una realización en la cual el flujo pasa a través de la cámara catódica y de la cámara anódica en la misma dirección. Con una realización apropiada, es también posible, por supuesto, que el flujo pase a través de la cámara catódica transversalmente a la dirección del flujo en la cámara anódica.

Claims (11)

1. Una batería de pilas de combustible

con una pluralidad de pilas de combustible en forma de placa, que están conectadas mecánica y eléctricamente por placas bipolares (4);

comprendiendo cada batería de pilas de combustible un ánodo (1), un cátodo (3) y una capa de electrolito (2) dispuesta entre el cátodo y el ánodo;

estando adyacente cada cátodo a un cámara catódica (8) y estando cada ánodo adyacente a una cámara anódica (7);

comprendiendo las placas bipolares unas aberturas dispuestas para formar unos canales (5, 6) para la alimentación de materiales de funcionamiento a las pilas de combustible o para la retirada de materiales de funcionamiento agotados;

comprendiendo cada placa bipolar al menos una abertura adicional (11) en la cual se dispone una pila de combustible;

estando las dimensiones de la al menos una abertura adicional adaptadas sustancialmente a las dimensiones de la pila de combustible;

cubriendo el material de sellado, en una configuración capa-a-capa o franja a franja al menos un borde de límite entre la pila de combustible y la superficie adyacente de la placa bipolar en la cual se dispone la pila de combustible;

estando dispuesto el material de sellado (10) capa-a-capa por encima de la otra abertura, para cubrir al menos una porción del borde de la pila de combustible dispuesta en la abertura;

además, se dispone el material de sellado en la superficie adyacente de la placa bipolar;

una porción del borde de una placa bipolar dispuesta como se indicó anteriormente cubre parcialmente una porción del borde de cada pila de combustible cubierta con el material de sellado.

2. Una batería de pilas de combustible según la reivindicación 1, donde el cátodo y/o el ánodo comprende un espesor tal que el cátodo o el ánodo es autoportante.

3. Una batería de pilas de combustible según la reivindicación 1 ó 2, donde el ánodo es al menos de 0,5 mm de espesor.

4. Una batería de pilas de combustible según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde dos bordes que establecen el límite entre la pila de combustible y la superficie adyacente de la placa bipolar en la cual se dispone la pila de combustible están cubiertos por el material de sellado.

5. Una batería de pilas de combustible según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde se dispone una tira de al menos 0,1 mm de anchura del material de sellado, colocada capa-a-capa o franja a franja y que cubre el borde que establece el límite entre una pila de combustible y una placa bipolar, sobre la pila de combustible.

6. Una batería de pilas de combustible según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde se escogen los materiales de manera que puedan ser utilizados a temperaturas por encima de 600ºC, preferiblemente por encima de 800ºC.

7. Una batería de pilas de combustible según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde se utiliza como el material de sellado vidrio de soldadura.

8. Una batería de pilas de combustible según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde las cámaras catódicas y los cámaras anódicas están formadas por las placas bipolares y los cátodos y/o los ánodos.

9. Una batería de pilas de combustible según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde una superficie principal de una pila de combustible termina a ras de la superficie de la placa bipolar que es adyacente a la abertura adicional.

10. Una batería de pilas de combustible según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde se coloca una malla metálica capa-a-capa en al menos una de las aberturas adicionales entre la base de la abertura y la pila de combustible dispuesta en la abertura.

11. Una batería de pilas de combustible según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que al menos dos bordes de cada pila de combustible están enmarcados por las placas bipolares.