ES2377797A1 - Pila de combustible de placas de bipolares con l�?mina met�?lica corrugada. - Google Patents

Pila de combustible de placas de bipolares con l�?mina met�?lica corrugada. Download PDF

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Abstract

Pila de combustible de placas bipolares con lámina metálica corrugada.Destaca fundamentalmente porque las placas bipolares (4, 7) están constituidas por láminas metálicas delgadas que son corrugadas para configurar canales de distribución de fluidos sobre los electrodos (6).

Description

PILA DE COMBUSTIBLE DE PLACAS BIPOLARES CON LAMINA
METALICA CORRUGADA
5P
OBJETO DE LA INVENCION
La presente invenci6n forma parte del area de la energfa y en particular en la generaci6n electrica mediante pilas de combustible. 10P
El objeto de la invenci6n consiste en una pila de combustible que utiliza una lamina metalica corrugada, con superficie resistente a la corrosi6n, para la formaci6n de sus placas bipolares. De esta forma se proporcionan unas buenas propiedades de conducci6n y garantiza un excelente contacto electrico,
15P asf como la correcta distribuci6n de los gases, ademas de emplear un componente muy ligero de facil fabricaci6n y bajo coste. ANTECEDENTES DE LA INVENCION
20P Las pilas de combustible son dispositivos electro-qufmicos que convierten la energfa qufmica de un combustible en energfa electrica. En la actualidad hay muchos tipos de pilas de combustible disenadas para distintos tipos de aplicaciones, desde autom6viles a la producci6n de energfa para viviendas, o para alimentaci6n de dispositivos portatiles.
25P Las pilas de combustible pueden ser de diversos tipos, de 6xidos s6lidos, acido fosf6rico, carbonatos fundidos, etc. La presente propuesta se centra en aquellas pilas basadas en un electrolito s6lido formado por una membrana de intercambio prot6nico. Estas estan constituidas por capas
30P alternativamente densas y permeables a los gases, asf como sucesivamente de conducci6n electr6nica y prot6nica. Una celda basica de estas pilas se compone usualmente de siete capas, que desde el exterior hacia el interior
P
son: dos placas bipolares para distribuci6n de gases, dos de laminas de difusi6n, dos de dep6sito catalftico y la membrana que hace las veces de electrolito entre ellas.
5P El electrolito, denso al paso de gases, ha de permitir el transporte prot6nico y se situa entre anodo y catodo, formados cada uno de ellos por una capa catalftica y otra difusora. Esta ultima establece contacto electrico con la placa bipolar correspondiente, que presenta transporte electr6nico y ha de permitir el acceso de los gases. Las celdas asf constituidas se ensamblan entre
10P sf en conexi6n serie, de forma que el anodo de cada celda queda electricamente unido al catodo de la siguiente, formando asf la estructura caracterfstica de una pila de combustible.
Entre los problemas que presentan los dispositivos actuales como
15P generadores electricos se pueden citar: su elevado coste, la complejidad de los procesos de mecanizado o sinterizado en grafito o metal de sus componentes, la necesidad de una elevada precisi6n en la conformaci6n de las placas bipolares para el correcto contacto electrico y evitar las fugas en el sellado, la elevada resistencia electrica de algunos materiales conductores usados en las
20P placas bipolares, la obstrucci6n de una parte importante de la superficie activa del electrodo por los contactos electricos, entre las costillas de las placas bipolares y los electrodos, que dificultan el acceso de gas a los puntos de catalisis, el peso excesivo de los componentes pasivos de la pila (bipolares, prensa de cerramiento, dispositivos de alimentaci6n, conexi6n, refrigeraci6n y
25P soporte,etc.).
En el documento US4751153 se aprecia un sistema de sellado que incorpora un elemento de ranura en la estructura y una junta s6lida preconformada.
30P Por otro lado, en el documento US33940032 se aprecia una particular forma y disposici6n de las placas corrugadas, con transporte de los gases de
forma perpendicular entre anodo y catodo, y la corriente electrica normal al plano que forman las direcciones de transporte de los gases.
En relaci6n con el documento US6905793 se observa el uso de placas 5P corrugadas perpendiculares y el diseno planar de la pila, y su utilizaci6n esta centrada en la refrigeraci6n.
En el documento US6670068, se muestra un metodo para ensamblar pilas de placas bipolares corrugadas y evitar fugas al exterior.
10P
DESCRIPCION DE LA INVENCION
La presente invenci6n consiste en una pila de combustible con electrolito de membrana de intercambio prot6nico que incorpora placas
15P bipolares de lamina metalica corrugada y estructura externa sellante de material denso a los gases, lo que representa una notable mejora en lo referente al coste, peso, eficiencia y facilidad de creaci6n de dichas pilas tanto en el proceso de ensamblado como en el de fabricaci6n de sus componentes.
20P Esta pila de combustible esta caracterizada por la utilizaci6n como placa bipolar de una lamina delgada y elastica de metal corrugado resistente a la corrosi6n, circundada por un material sellante denso a los gases.
La pila incorpora como elementos fundamentales:
25P
-
estructura,
-
ensamblaje membrana-electrodo
-
placa corrugada
-
placa de conexi6n 30P - sellado
P
Estructura
La estructura consistente en un marco sellante externo de la pila que es de un material ligero e impermeable a gases, con las propiedades mecanicas
5P adecuadas (por ejemplo, un material compuesto de fibra de vidrio/poliester). Este marco es de un grosor algo menor que la suma del grueso de la capa difusora mas el de la placa corrugada, con el fin de garantizar el correcto contacto electrico al aplicar posteriormente presi6n, debido a la flexi6n de la lamina metalica corrugada.
10P
Ensamblaje membrana-electrodo
El ensamblaje membrana-electrodo utilizado en la pila es de cinco capas, : dos capas difusoras, dos capas catalfticas y una membrana. 15P Goincidiendo lLas dimensiones de las superficies difusoras coinciden con las
de la lamina metalica corrugada situada en el interior del marco.
Placa corrugada
20P La placa corrugada es una lamina metalica delgada corrugada flexible y de superficie resistente a la corrosi6n, situada dentro del marco, que constituye una placa bipolar de canales paralelos, alimentados desde un conducto de transporte de gases por las cavidades de distribuci6n y cuya forma garantiza una distribuci6n homogenea de los gases entre los diferentes canales. La
25P elasticidad del material metalico que constituye la placa bipolar asegura un contacto electrico adecuado entre la capa difusora y la lamina conductora que separa cada celda de la contigua o constituye el contacto terminal de la pila.
Placa de conexi6n
30P El diseno de pila de combustible se caracteriza asimismo porque la uni6n entre celdas consecutivas se realiza mediante una lamina plana y
delgada de conducci6n electr6nica que esta en contacto con la placa de metal corrugado. Dichas placas cierran por ambos lados cada monocelda, posibilitando la conducci6n de los electrones del anodo de una celda al catodo de la siguiente, o al exterior de la pila.
5P
Sellado
Gonsiderando los materiales que conforman el electrolito, el marco, y la lamina de separaci6n, es preciso garantizar la estanqueidad de sus uniones, 10P bien mediante la elasticidad de los propios materiales o bien introduciendo una
capa sellante entre ellos.
Hay que destacar que, a diferencia del documento US4751153, la presente invenci6n no utiliza una junta s6lida preconformada sino un material
15P sellante fluido de alta adhesividad, por ejemplo, un epoxi de dos componentes lfquidos viscosos que solidifican al secar, aplicado este tanto en la parte interna como en la externa de nuestra pila.
Por otro lado, a diferencia del documento US6670068, en la presente
20P invenci6n las fugas son evitadas mediante la utilizaci6n del epoxi sobre la estructura aislante rfgida, mientras que en dicho documento se ataca el problema sellando la propia placa corrugada.
Por otra parte, a diferencia del documento US6261710, la presente
25P invenci6n aporta una estructura formada por una lamina metalica sobre la que establecen contacto las laminas corrugadas de las celdas adyacentes, para la separaci6n de monoceldas, que permite transporte electr6nico y el transporte independiente de gases a uno y otro lado.
30P
DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripci6n que se esta realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensi6n de las caracterfsticas de la invenci6n, de
5P acuerdo con dos ejemplos preferentes de realizaci6n practica de la misma, se acompana como parte integrante de dicha descripci6n, un juego de dibujos en donde con caracter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1.- Muestra una vista de las partes que componen el primer 10P ejemplo preferente en una monocelda de combustible con placas bipolares de lamina corrugada objeto de invenci6n.
Figura 2.- Muestra una vista translucida de las diferentes piezas que constituyen una de las celdas de la pila, donde se observan orificios para 15P circulaci6n de los gases de alimentaci6n y para los pernos de fijaci6n del
conjunto.
Figura 3.- Muestra una vista del despiece de una celda componente de la pila correspondiente a un segundo ejemplo.
20P Figura 4.- Muestra una vista completa de los componentes que conforman la pila de dos celdas de acuerdo con el segundo ejemplo de aplicaci6n.
25P REALIZACION PREFERENTE DE LA INVENCION
En la figura 1 se muestra el primer ejemplo de una pila de una sola celda construida con las placas bipolares (4,7) de lamina metalica corrugada segun la invenci6n, que se encuentran en contacto con unos electrodos (6) de
30P un ensamblaje membrana-electrodo (5) estableciendo contacto electrico entre los electrodos y unas placas terminales (2, 9), a la vez que canalizan el flujo de los fluidos reactantes, asf como se aprecia un marco (3, 8) formado por una
P
primer separadora (3) y un segundo separador (8).
Los flujos son cruzados, ya que cada una de las placas bipolares (4, 7) dispone de canales de distribuci6n paralelos y los canales de una placa bipolar
5P (4) son perpendiculares a los canales de la otra placa bipolar (7). La elasticidad de las placas bipolares (4, 7) corrugadas permite que esten ligeramente comprimidas en el montaje, garantizando un buen contacto electrico entre los electrodos (6) y las placas terminales (2, 9).
10P De acuerdo con la figura 4 se observa que la pila esta constituida por dos celdas conectadas electricamente en serie mediante una lamina conductora (10), de forma que el catodo de una celda queda al potencial del anodo de la otra. En esta configuraci6n la tensi6n entre bornes de la pila es igual a la suma de las tensiones de cada una de sus celdas, mientras que la
15P intensidad electrica es comun a todas ellas.
En la figura 2 se observa un orificio de entrada (30) definido en la placa terminal (2) a traves del cual penetra el fluido combustible, hacia el anodo, que se distribuye primeramente por un conducto de alimentaci6n y luego por un
20P espacio esencialmente triangular del primer separador (3) hasta alcanzar los canales de la placa bipolar (4) corrugada, manteniendo la secci6n normal al flujo y la velocidad casi constantes hasta alcanzar un orificio de salida (31) definido en esa misma placa terminal (2).
25P Una circulaci6n semejante tiene lugar en el catodo con el fluido comburente, aire u oxfgeno, entrando por un orificio de entrada (32) a una cavidad o espacio del otro separador (8) para dirigirse a continuaci6n y recorrer los canales de la placa bipolar (7) y salir por el orificio de salida (33) de la placa terminal inferior (9).
30P La circulaci6n de los gases se realiza por tanto por orificios ubicados en las esquinas del marco (3, 8), encontrandose en las diagonales opuestas los
correspondientes a cada gas: los orificios (30, 31) correspondientes al combustible y los orificios (32, 33) correspondientes al oxidante. �sf pues el gas accede desde los orificios de entrada hasta los canales de la placa bipolar correspondiente y la salida se produce por un esquema similar en el extremo
5P opuesto.
El marco (3, 8) y demas piezas, excepto las placas bipolares (4, 7), presentan asimismo unas perforaciones (40) para introducir los tornillos que cierran y mantienen la presi6n entre los componentes que garantizan la
10P estanqueidad de las camaras interiores del dispositivo.
La alimentaci6n de anodo y catodo en cada celda se realiza en paralelo y los conductos de alimentaci6n conectados a los orificios de entrada (30, 32) y los conductos de salida de fluidos conectados a los orificios de salida (31, 34)
15P recorren toda la pila entre placas terminales (2, 9), atravesando las celdas.
En la figura 3 se observa el segundo ejemplo en el que se emplean dos placas de refuerzo (11) que refuerzan el ensamblaje membrana-electrodo (5). Estas placas de refuerzo (11) son de un material delgado y rfgido, por ejemplo
20P lamina de acero o de poliester-fibra de vidrio y evitan la conexi6n de los fluidos de anodo y catodo por deformaci6n de la membrana en la proximidad a los orificios (30-33).
Las diferentes celdas de la pila estan conectadas electricamente entre sf
25P mediante las laminas conductoras (10), que son delgadas, de elevada conductividad e impermeables a los gases, realizadas en acero inoxidable. La pila se ensambla mediante ocho varillas roscadas que atraviesan el perfmetro de todas las celdas componentes a traves de los orificios (40), realizados al efecto en todas las piezas excepto en las placas bipolares (4, 7) corrugadas
30P interiores al cerramiento.

Claims (3)

  1. REIVINDICACIONES�
  2. 1.- Pila de combustible (1) de placas bipolares, que es del tipo de electrolito solido de membrana de conduccion protonica y que comprende unas placas terminales (2, 9), un marco (3, 8), un ensamblaje membrana-electrodos (5), y unas placas bipolares (4, 7), caracterizada porque las placas bipolares (4,7) estan constituidas por laminas metalicas delgadas que son corrugadas para configurar canales de distribucion de fluidos sobre los electrodos (6). 2.- Pila de combustible (1) de acuerdo con las reivindicacion 1 caracterizada porque las laminas metalicas son de metal elastico, de elevada conductividad electrica y alta resistencia superficial a la corrosion. 3.- Pila de combustible (1) de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2 caracterizada porque las laminas elasticas son de elasticidad adecuada para garantizar en compresion el correcto contacto electrico entre los electrodos (6) y las celdas contiguas o placas terminales (2, 9). 4.- Pila de combustible (1) de acuerdo con la reivindicacion 3 caracterizada porque comprende un separador de gases (10) que establece el contacto electrico con celdas contiguas. 5.- Pila de combustible (1), de acuerdo con reivindicacion 1 caracterizada porque comprende fluidos sellantes de uno o dos componentes aplicados sobre el marco (3, 8) que actUa como cerramiento.
    OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS
    N.º solicitud: 201030894
    ESPAÑA
    Fecha de presentación de la solicitud: 09.06.2010
    Fecha de prioridad:
    INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA
    51 Int. Cl. : H01M8/02 (2006.01) H01M8/10 (2006.01)
    DOCUMENTOS RELEVANTES
    Categoría
    56 Documentos citados Reivindicaciones afectadas
    X
    WO 2010047586 A1 (STICHTING ENERGIEONDERZOEK) 29.04.2010, página 4, línea 26 – página 6, línea 15; página 7, líneas 16-31; reivindicaciones 1,10; figuras 1-8. 1-5
    X
    WO 2004049483 A2 (GLOBAL THERMOELECTRIC INC.) 10.06.2004, página 6, líneas 8-21; página 8, línea 21 – página 9, línea 4; página 10, líneas 10-21; figuras 2,5,6. 1-5
    A
    Base de datos Epodoc en Epoque. European Patent Office (Munich, DE). TWI 222765B B (JENG KUN-TSAN) 21.10.2004, resumen; figuras 1-5. 1-3
    A
    Base de datos Epodoc en Epoque. European Patent Office (Munich, DE). JP 1183070 A (HITACHI) 20.07.1989, resumen; figuras 1-3. 1,5
    A
    US 7585582 B2 (CHEN et al.) 08.09.2009, todo el documento. 1
    A
    Base de datos Epodoc en Epoque. European Patent Office (Munich, DE). DE 19641143 A1 (MAGNET MOTOR GMBH) 17.04.1997, resumen; figura 1. 1
    Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud
    El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº:
    Fecha de realización del informe 20.03.2012
    Examinador R. San Vicente Domingo Página 1/5
    INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA
    Nº de solicitud: 201030894
    Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) H01M Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de
    búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC
    Informe del Estado de la Técnica Página 2/5
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201030894
    Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 20.03.2012
    Declaración
    Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 1-5 SI NO
    Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 1-5 SI NO
    Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).
    Base de la Opinión.-
    La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.
    Informe del Estado de la Técnica Página 3/5
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201030894
    1. Documentos considerados.-
    A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.
    Documento
    Número Publicación o Identificación Fecha Publicación
    D01
    WO 2010047586 A1 (STICHTING ENERGIEONDERZOEK) 29.04.2010
    D02
    WO 2004049483 A2 (GLOBAL THERMOELECTRIC INC.) 10.06.2004
    D03
    TWI222765B B (JENG KUN-TSAN) 21.10.2004
    D04
    JP1183070 A (HITACHI) 20.07.1989
    D05
    US 7585582 B2 (CHEN et al) 08.09.2009
    D06
    DE19641143 A1 (MAGNET MOTOR GMBH) 17.04.1997
  3. 2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración
    El documento D01 constituye el estado de la técnica más próximo a nuestra solicitud. En dicho documento, nos encontramos con una pila de combustible de óxido sólido compuesta por un ensamblaje membrana-electrodos, y que cuenta con sendas placas separadoras a ambos lados, en contacto directo con cada uno de los electrodos de la pila. Dichas placas están constituidas por láminas metálicas en forma corrugada para así configurar canales de distribución de los fluidos sobre los electrodos.
    La única diferencia existente entre el documento D01 y la 1ª reivindicación de la solicitud objeto de estudio sería que en la solicitud de invención las propias láminas metálicas corrugadas irían ubicadas en un marco separador y en el documento D01 ambas partes conformarían una sola placa. Dicha diferencia no proporcionaría ninguna ventaja adicional al efecto técnico proporcionado por la invención, y por lo tanto sería considerada como una opción normal de diseño. Asimismo, el que el electrolito de la membrana sea de óxido sólido o sólido de membrana de conducción protónica tampoco produciría un efecto técnico diferente sobre el objeto de la invención.
    Teniendo en cuenta esto, parece que sería evidente para un experto en la materia que partiendo de dicho documento D01 se llegara a la invención propuesta en la 1ª reivindicación de la solicitud, y de esta manera la actividad inventiva de dicha 1ª reivindicación quedaría cuestionada con el documento D01.
    Las reivindicaciones dependientes 2ª a 5ª no contienen ninguna característica que en combinación con las características de la reivindicación 1ª de la que dependen, cumplan las exigencias del PCT con respecto a la actividad inventiva por las siguientes razones:
    Las características descritas en las reivindicaciones 2ª y 3ª y que hacen referencia a las propiedades de elasticidad, elevada conductividad eléctrica y alta resistencia superficial a la corrosión de las láminas metálicas, son características propias y perfectamente conocidas de determinados metales (véase el resumen del documento D03), y por lo tanto se consideran que carecerían de actividad inventiva alguna.
    Asimismo el separador de gases descrito en la reivindicación 4ª para establecer contacto eléctrico entre celdas contiguas, resulta un elemento perfectamente conocido en el estado de la técnica, que resulta obvio para la formación de pilas con varias celdas unitarias, , por lo tanto partir de la pila de combustible del documento D01 carecería esta reivindicación 4ª de actividad inventiva.
    Por último, en el documento D01 también se describen sistemas de sellado entre los distintos componentes que conforman el ensamblaje de las distintas capas que constituyen la pila, y también son perfectamente conocidos del estado de la técnica fluidos sellantes tipo epoxy. Por lo tanto diríamos que la reivindicación 5ª quedaría antecedida en cuanto a su actividad inventiva al igual que la reivindicación 1ª con el documento D01.
    Las mismas consideraciones tenidas en cuenta con el documento D01 podrían también considerarse para el documento D02 y para la configuración de pila de combustible de óxido sólido descrita en dicho documento, que presenta una placa llamada de interconexión en forma corrugada y en contacto con los electrodos, y que también llegaría a cuestionar la actividad inventiva del problema técnico objetivo planteado con la solicitud de invención.
    Informe del Estado de la Técnica Página 4/5
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201030894
    Por otro lado los documentos D03 a D06, que describen distintas pilas de combustible , y todas disponiendo en alguna de sus placas la configuración corrugada para una mejor distribución de los gases que entran en funcionamiento en la pila, reflejarían el estado de la técnica anterior.
    Por lo tanto y a modo de resumen, podríamos concluir que en la pila de combustible de placas bipolares descrita en las reivindicaciones 1ª a 5ª de la presente solicitud no se aprecia actividad inventiva, y por lo tanto la patentabilidad de la invención se vería cuestionada conforme al artículo 8 de la ley 11/86 de patentes.
    Informe del Estado de la Técnica Página 5/5
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