ES2395300B1

ES2395300B1 - FUEL BATTERY PLATE WITH REAGENT DISTRIBUTION CHAMBER

Info

Publication number: ES2395300B1
Application number: ES201130022A
Authority: ES
Inventors: Angel PÉREZ MANSO; Florencio FERNÁNDEZ MARZO; Mikel GARMENDIA MUJIKA; Ainhoa EZEIZA RAMOS
Original assignee: Euskal Herriko Unibertsitatea
Current assignee: Euskal Herriko Unibertsitatea
Priority date: 2011-01-11
Filing date: 2011-01-11
Publication date: 2014-04-25
Anticipated expiration: 2031-01-11
Also published as: ES2395300A2; ES2395300R1

Abstract

Placa para pilas de combustible con cámara de distribución de reactivo.#Placa con cámara de distribución de reactivo para pila de combustible caracterizada porque está dividida en unidades básicas capaces de funcionar como placa anódica o catódica de una pila independiente, estando dichas unidades básicas conectadas eléctricamente en paralelo a través del cuerpo de la propia placa. La división en unidades básicas favorece la distribución homogénea de los reactivos a lo largo de toda la superficie del ánodo y el cátodo.Plate for fuel cells with reagent distribution chamber # Plate with reagent distribution chamber for fuel cell characterized in that it is divided into basic units capable of functioning as an anode or cathode plate of an independent battery, said basic units being electrically connected in parallel through the body of the plate itself. The division into basic units favors the homogeneous distribution of the reagents along the entire surface of the anode and the cathode.

Description

Placa para pilas de combustible con cámara de distribución de reactivo. Fuel cell plate with reagent distribution chamber.

FIELD OF THE INVENTION

La presente invención se refiere a placas para pilas de combustible, a pilas de combustible que comprenden al 5 menos una de tales placas y particularmente a las denominadas pilas de combustible de membrana polimérica de intercambio de protones (PEMFC y DMFC). The present invention relates to plates for fuel cells, to fuel cells comprising at least one of such plates and particularly to the so-called proton exchange polymeric membrane fuel cells (PEMFC and DMFC).

BACKGROUND OF THE INVENTION

La pila de combustible de membrana polimérica de intercambio protónico (PEMFC) es una de las tecnologías más ampliamente investigada. Su capacidad de funcionamiento a baja temperatura, su alta densidad de potencia, la 10 rapidez de puesta en marcha, robustez las bajas emisiones que produce, son algunas de las ventajas que ofrece para su uso en múltiples aplicaciones: vehículos de transporte, generación estacionaria, aplicaciones portátiles, etc. Una pila de combustible es un dispositivo electroquímico de conversión energética que produce electricidad directamente de combustibles por combinación electroquímica de los mismos con un oxidante. Cada pila consta de dos electrodos, un ánodo y un cátodo separados por un electrolito. El combustible (hidrógeno o metanol) se 15 suministra al ánodo, donde ocurre la reacción de oxidación, liberando electrones al circuito externo. El oxidante se suministra al cátodo, donde llegan los electrones del circuito externo, y ocurre la reacción de reducción. El flujo de electrones, desde el ánodo al cátodo a través del circuito externo, produce corriente eléctrica. En las pilas de combustible tipo PEM, el electrolito es una membrana sólida que permite el transporte de protones desde el ánodo hasta el cátodo y está constituida por un polímero de ácido perfluorosulfónico hidratado tal como Nafion®, que se 20 coloca entre dos electrodos porosos a los que se incorpora un electro-catalizador. El paquete compuesto por el electrodo poroso o GDL (Gas Diffusion Layer) (ánodo), capa de catalizador (ánodo), membrana polimérica, capa de catalizador (cátodo) y electrodo poroso o GDL (cátodo), se denomina MEA (Membrane Electrode Assembly). Las pilas de combustible individuales pueden estar combinadas en conjuntos (stacks) que, debidamente interconectados, proporcionan la cantidad de energía requerida. El rendimiento de una PEMFC depende de 25 múltiples factores, entre los que se incluyen las condiciones de operación, los fenómenos de transporte en el interior de la pila, la cinética de la reacción electroquímica, el ensamblaje de la MEA y la geometría de los canales de flujo. Los canales de flujo en una PEMFC, que se utilizan para aportar el combustible (hidrógeno o metanol) al ánodo y eloxígeno al cátodo, están integrados en las placas. Éstas son uno de los componentes clave de una pila de combustible, ya que realizan diferentes funciones esenciales para el buen funcionamiento del sistema: servir de 30 soporte mecánico al stack, mantener separados los diferentes reactantes, distribuir los reactantes a lo largo de la superficie catalizadora, conducir la corriente eléctrica generada o gestionar el agua y el calor producidos en el interior de la pila. Algunas de estas funciones están más asociadas a las propiedades fisicoquímicas del material. Otras, en cambio, están íntimamente ligadas a la geometría de los canales de flujo. Dado que la membrana de intercambio protónico sólo puede operar en presencia de agua líquida, es de vital importancia conseguir y mantener 35 un nivel de hidratación de la membrana homogéneo y suficiente como para que la conductividad protónica no se vea disminuida y, a la vez, que dicho nivel de agua líquida no supere un máximo que se traduzca en la aparición del efecto denominado “flooding”. La evacuación del calor generado durante la operación de la pila de combustible es otro punto clave para asegurar el buen funcionamiento de la misma. Una distribución homogénea de la temperatura sobre la MEA y que los valores de la misma no superen los 100 ºC son condiciones indispensables para asegurar un 40 funcionamiento óptimo del sistema y prolongar la vida útil de la membrana. Un diseño apropiado de los canales de flujo de una PEMFC permitirá potenciar las velocidades de transporte de reactivo en el propio canal así como en la GDL (Gas Diffusion Layer) antes de alcanzar la capa catalítica, donde tiene lugar la reacción. También será beneficioso en la gestión de agua del cátodo, con el fin de que el exceso se elimine de forma adecuada, manteniendo la membrana hidratada. Además, una distribución homogénea del combustible en el canal de flujo, 45 proporcionará a su vez, una densidad de corriente homogénea en todo el área reactiva y, por tanto, una distribución uniforme de la temperatura, que ocasionará menos tensiones mecánicas en la MEA, prolongando la vida útil de la PEMFC. En los últimos años se han analizado multitud de diseños diferentes para los canales de flujo de las placas (tipo pin, canales paralelos en serie, canal en forma de serpentín, canales interdigitados, canales en espiral, canales integrados con canales de refrigeración, etc.). Una revisión de los diferentes diseños para los canales de flujo en 50 placas puede encontrarse en Xianguo Li, Imran sabir, Review of bipolar plates in PEM fuel cells: Flow-field designs, Journal of Hydrogen Energy 30 (2005) 359-371. Muchos de los diseños allí comentados no permiten una distribución homogénea de la concentración de los reactivos sobre las capas catalíticas, lo que se traduce en un funcionamiento desigual del sistema a lo largo de la MEA. Aunque el coste total de fabricación de los diferentes elementos que componen una pila de tipo PEM se ha ido reduciendo paulatinamente a lo largo de los últimos años, el coste de las The proton exchange polymeric membrane fuel cell (PEMFC) is one of the most widely researched technologies. Its low temperature operating capacity, its high power density, the rapidity of commissioning, robustness of the low emissions it produces are some of the advantages it offers for use in multiple applications: transport vehicles, stationary generation, portable applications, etc. A fuel cell is an electrochemical energy conversion device that produces electricity directly from fuels by electrochemical combination thereof with an oxidant. Each battery consists of two electrodes, an anode and a cathode separated by an electrolyte. The fuel (hydrogen or methanol) is supplied to the anode, where the oxidation reaction occurs, releasing electrons to the external circuit. The oxidant is supplied to the cathode, where electrons from the external circuit arrive, and the reduction reaction occurs. The flow of electrons, from the anode to the cathode through the external circuit, produces electrical current. In PEM-type fuel cells, the electrolyte is a solid membrane that allows proton transport from the anode to the cathode and consists of a hydrated perfluorosulfonic acid polymer such as Nafion®, which is placed between two porous electrodes. which incorporates an electro-catalyst. The package consisting of the porous electrode or GDL (Gas Diffusion Layer) (anode), catalyst layer (anode), polymeric membrane, catalyst layer (cathode) and porous electrode or GDL (cathode), is called MEA (Membrane Electrode Assembly ). Individual fuel cells can be combined in sets (stacks) that, properly interconnected, provide the required amount of energy. The performance of a PEMFC depends on 25 multiple factors, including operating conditions, transport phenomena inside the cell, the kinetics of the electrochemical reaction, the assembly of the MEA and the geometry of the channels flow. The flow channels in a PEMFC, which are used to provide the fuel (hydrogen or methanol) to the anode and eloxigen to the cathode, are integrated in the plates. These are one of the key components of a fuel cell, since they perform different essential functions for the proper functioning of the system: serve as a mechanical support to the stack, keep the different reactants separate, distribute the reactants along the catalyst surface , conduct the electric current generated or manage the water and heat produced inside the battery. Some of these functions are more associated with the physicochemical properties of the material. Others, on the other hand, are intimately linked to the geometry of the flow channels. Since the proton exchange membrane can only operate in the presence of liquid water, it is vital to achieve and maintain a level of homogeneous membrane hydration and sufficient so that the proton conductivity is not diminished and, at the same time, that said level of liquid water does not exceed a maximum that results in the appearance of the effect called “flooding”. The evacuation of the heat generated during the operation of the fuel cell is another key point to ensure its proper functioning. A homogeneous distribution of the temperature over the MEA and that its values do not exceed 100 ° C are indispensable conditions to ensure optimum system operation and prolong the life of the membrane. An appropriate design of the flow channels of a PEMFC will enable the reagent transport speeds to be enhanced in the channel itself as well as in the GDL (Gas Diffusion Layer) before reaching the catalytic layer, where the reaction takes place. It will also be beneficial in the management of water of the cathode, so that the excess is removed properly, keeping the membrane hydrated. In addition, a homogeneous distribution of the fuel in the flow channel, in turn, will provide a homogeneous current density throughout the reactive area and, therefore, a uniform temperature distribution, which will cause less mechanical stresses in the MEA, prolonging the life of the PEMFC. In recent years, many different designs have been analyzed for plate flow channels (pin type, parallel series channels, coil-shaped channel, interdigitated channels, spiral channels, integrated channels with cooling channels, etc. ). A review of the different designs for the 50-channel flow channels can be found in Xianguo Li, Imran Sabir, Review of bipolar plates in PEM fuel cells: Flow-field designs, Journal of Hydrogen Energy 30 (2005) 359-371. Many of the designs mentioned there do not allow a homogeneous distribution of the concentration of the reagents on the catalytic layers, which translates into an unequal operation of the system throughout the MEA. Although the total manufacturing cost of the different elements that make up a PEM type battery has been gradually reduced over the last few years, the cost of

55 MEAs representa casi el 70% del coste total de un stack (J. Sinha, S. Lasher, Y. Yang, Direct Hydrogen PEMFC Manufacturing Cost Estimation for Automotive Applications, DOE Annual Merit Review, Arlington, VA, May 21, 2009), por lo que la vida útil de la MEA es una variable importante sobre la que se puede actuar para aumentar el rendimiento global del sistema. 55 MEAs represent almost 70% of the total cost of a stack (J. Sinha, S. Lasher, Y. Yang, Direct Hydrogen PEMFC Manufacturing Cost Estimation for Automotive Applications, DOE Annual Merit Review, Arlington, VA, May 21, 2009) , so the life of the MEA is an important variable that can be used to increase the overall performance of the system.

ES 2 395 300 A2 ES 2 395 300 A2

Una distribución inhomogénea de los reactivos sobre toda la MEA provoca un funcionamiento desigual a lo largo de la misma y la aparición de problemas asociados, como variación en la conducción protónica de la membrana, tensiones mecánicas debidas a gradientes de temperatura o inutilización de zonas de la MEA, reduciéndose la vida útil de la misma. An inhomogeneous distribution of the reagents over the entire MEA causes uneven operation along it and the appearance of associated problems, such as variation in the proton conduction of the membrane, mechanical stresses due to temperature gradients or useless areas of the MEA, reducing its useful life.

OBJECT OF THE INVENTION

La invención tiene por objeto paliar los problemas técnicos citados en el apartado anterior. Para ello, propone una placa con cámara de distribución de reactivo para pila de combustible que está dividida en unidades básicas capaces de funcionar como placa anódica o catódica de una pila independiente, estando dichas unidades básicas conectadas eléctricamente en paralelo a través del cuerpo de la propia placa. Dicha placa comprende un anverso y un reverso provistos de orificios de entrada del reactivo y orificios de salida del reactivo residual, donde el anverso comprende además una pluralidad de cámaras de distribución comunicadas con el orificio de entrada y una pluralidad de cámaras de recogida comunicadas con el orificio de salida, el reverso comprende canales de flujo para la distribución del reactivo sobre la membrana de la pila y conductos de inyección y de extracción que comunican el anverso con el reverso y delimitan cada unidad básica. De preferencia, el número de unidades básicas es cuatro. También preferentemente, los orificios de entrada y salida están comunicados mediante canales de intercomunicación con las cámaras de distribución y de recogida respectivamente. Opcionalmente, tanto el anverso como el reverso disponen de orificios alrededor de las unidades básicas para la conducción de fluido refrigerante. Los canales de flujo pueden tener una configuración simétrica y están separados entre sí por líneas de obstáculos y huecos dispuestos a tresbolillo. Los canales de distribución y recogida están preferentemente separados por paredes sólidas que evitan la mezcla de las corrientes de entrada y salida. La placa de la invención es particularmente útil para la fabricación de pilas tipo PEM. The invention aims to alleviate the technical problems mentioned in the previous section. To this end, it proposes a plate with a reagent distribution chamber for a fuel cell that is divided into basic units capable of functioning as an anodic or cathodic plate of an independent battery, said basic units being electrically connected in parallel through the body of the same license plate. Said plate comprises an obverse and a reverse provided with reagent inlet holes and residual reagent outlet holes, wherein the obverse further comprises a plurality of distribution chambers communicated with the inlet port and a plurality of collection chambers communicated with the orifice, the reverse comprises flow channels for the distribution of the reagent on the cell membrane and injection and extraction ducts that communicate the front with the back and delimit each basic unit. Preferably, the number of basic units is four. Also preferably, the input and output holes are communicated via intercom channels with the distribution and collection chambers respectively. Optionally, both the front and the back have holes around the basic units for the conduction of refrigerant fluid. The flow channels can have a symmetrical configuration and are separated from each other by obstacle lines and holes arranged three-way. The distribution and collection channels are preferably separated by solid walls that prevent mixing of the input and output streams. The plate of the invention is particularly useful for the manufacture of PEM type batteries.

BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña la siguiente descripción de un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo se ha representado lo siguiente: In order to help a better understanding of the features of the invention in accordance with a preferred example of practical realization thereof, the following description of a set of drawings is attached, where the following has been represented by way of illustration:

Figura 1.- es un alzado y vista isométrica del anverso y reverso de la placa de acuerdo con la invención. Figure 1.- is an elevation and isometric view of the front and back of the plate according to the invention.

Figura 2.- es una vista detallada de una de las unidades básicas en las que se divide la placa de la invención. Figure 2.- is a detailed view of one of the basic units in which the plate of the invention is divided.

Figura 3.- es una representación esquemática de una pila de combustible que incorpora la invención. Figure 3.- is a schematic representation of a fuel cell that incorporates the invention.

Figura 4.- es una vista detallada de los diferentes elementos que conforman una pila que incorpora la placa de la invención. Figure 4.- is a detailed view of the different elements that make up a battery that incorporates the plate of the invention.

Figura 5.- es una vista detallada de la pila de la figura 4 en funcionamiento. Figure 5.- is a detailed view of the battery of figure 4 in operation.

Figura 6.- son ejemplos de posibles configuraciones de los canales de flujo según la invención. Figure 6.- are examples of possible configurations of the flow channels according to the invention.

Figura 7.- es una vista detallada de la pila que incorpora la invención y el esquema eléctrico equivalente. Figure 7.- is a detailed view of the battery incorporating the invention and the equivalent electrical scheme.

Figura 8.- es un esquema de montaje de un stack de varias monoceldas que incorporan la placa de la invención. Figure 8 .- is a scheme of assembly of a stack of several monocells that incorporate the plate of the invention.

DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

La placa de la invención contiene una o más unidades básicas que, como puede apreciarse en la Fig. 2, constan de cinco zonas: cámara de distribución del reactivo 31, conductos de inyección del reactivo 40, zona de canales de flujo para la distribución del reactivo sobre los electrodos 50, conductos de extracción del reactivo 41 y cámara de recogida 24. Los reactivos (combustible y oxidante) se introducen en la pila a través de las correspondientes cámaras de distribución, que funcionan como pequeños almacenamientos distribuidos por toda la superficie de la pila. Desde estos pequeños almacenamientos, los reactivos se suministran a los canales de flujo a través de los conductos de inyección. En la zona de canales de flujo, los reactivos circulan a través de los mismos, difundiéndose a través de la zona porosa de los electrodos (GDL) y alcanzando la capa catalítica, donde reaccionan. La cámara de distribución de reactivo se sitúa en el anverso de la placa y los canales de flujo en el reverso de la placa, entendiéndose como reverso la parte de la placa que está en contacto con la membrana. Puesto que la placa puede usarse en la parte del ánodo y en la del cátodo, la placa deberá cambiar de orientación cuando se use en una u otra parte de la pila de combustible. En la Fig. 1, a la izquierda se representan el alzado y perspectiva isométrica del anverso de la placa, donde se pueden observar las cámaras de distribución 31 y los conductos de inyección 40 y los conductos de extracción 41 de una placa. En la figura de la derecha se representan el alzado y perspectiva isométrica del reverso de la placa, donde se pueden observar los canales de flujo 50. Una serie de orificios 8 se sitúa en la periferia de la placa como alojamiento de los elementos de sujeción del conjunto (tornillos o similar). Si la aplicación lo requiriera, el conjunto podría disponer de orificios con diferentes formas (9 y 10) dispuestos alrededor de la zona de canales de flujo para la conducción de algún fluido refrigerante con el fin de regular la temperatura de operación del sistema. En el ejemplo de montaje descrito anteriormente, la entrada del reactivo podría hacerse a The plate of the invention contains one or more basic units which, as can be seen in Fig. 2, consist of five zones: reagent distribution chamber 31, reagent injection ducts 40, flow channel zone for the distribution of the reagent on electrodes 50, reagent extraction conduits 41 and collection chamber 24. Reagents (fuel and oxidizer) are introduced into the cell through the corresponding distribution chambers, which function as small stores distributed throughout the surface of the the battery. From these small stores, reagents are supplied to the flow channels through the injection ducts. In the area of flow channels, the reagents circulate through them, diffusing through the porous zone of the electrodes (GDL) and reaching the catalytic layer, where they react. The reagent distribution chamber is located on the front of the plate and the flow channels on the back of the plate, the reverse being understood as the part of the plate that is in contact with the membrane. Since the plate can be used in the anode and cathode part, the plate must change orientation when used in one or another part of the fuel cell. In Fig. 1, the elevation and isometric perspective of the obverse of the plate are shown on the left, where the distribution chambers 31 and the injection ducts 40 and the extraction ducts 41 of a plate can be observed. The figure on the right shows the elevation and isometric perspective of the back of the plate, where the flow channels 50 can be observed. A series of holes 8 is located on the periphery of the plate as a housing for the fastening elements of the plate. set (screws or similar). If the application requires it, the assembly could have holes with different shapes (9 and 10) arranged around the area of flow channels for the conduction of some refrigerant fluid in order to regulate the operating temperature of the system. In the assembly example described above, the reagent inlet could be made to

ES 2 395 300 A2 ES 2 395 300 A2

través del orificio de entrada 13, de manera que mediante un canal de intercomunicación 30 el reactivo pudiera llenar las cámaras de distribución 31 distribuyéndose de manera homogénea en toda la superficie de la pila. Cada una de estas cámaras de distribución corresponde a una unidad básica que incluye cámara de distribución 31, conductos de inyección 40, canales de flujo 50, conductos de extracción 41 y cámara de recogida 24. La evacuación del reactivo residual desde la cámara de recogida 24 se realiza a través del canal de intercomunicación 20 hacia el orificio de salida 11. Los canales de flujo del ejemplo descrito anteriormente 50 se componen de canales paralelos dispuestos de manera perpendicular al flujo principal del reactivo. En otras puestas en práctica los canales pueden tener otras configuraciones. Dichos canales están separados entre sí por líneas de obstáculos y huecos dispuestos a tresbolillo (Fig. 2) para favorecer la distribución más homogénea posible del reactivo por toda la superficie de la MEA. Cada placa consta, en un ejemplo preferencial, de cuatro unidades como la representada en la figura 2. through the inlet port 13, so that by means of an intercom channel 30 the reagent could fill the distribution chambers 31 being distributed homogeneously over the entire surface of the cell. Each of these distribution chambers corresponds to a basic unit that includes distribution chamber 31, injection ducts 40, flow channels 50, extraction ducts 41 and collection chamber 24. Evacuation of the residual reagent from the collection chamber 24 it is carried out through the intercom channel 20 towards the outlet orifice 11. The flow channels of the example described above 50 are composed of parallel channels arranged perpendicular to the main flow of the reagent. In other implementations the channels may have other configurations. These channels are separated from each other by obstacle lines and three-hole holes (Fig. 2) to favor the most homogeneous possible distribution of the reagent over the entire surface of the MEA. Each plate consists, in a preferential example, of four units as shown in Figure 2.

Los reactivos (H2 u O2) entran por el orificio de entrada 13 (Fig. 5). Esta entrada en cada caso estará comunicada mediante un canal de intercomunicación 30 que conduce el reactivo a la cámara de distribución 31. Los números del 1 al 5 indican las sucesivas etapas que realiza el reactivo en su recorrido a través de la placa. Reagents (H2 or O2) enter through inlet port 13 (Fig. 5). This input in each case will be communicated through an intercom channel 30 that leads the reagent to the distribution chamber 31. The numbers 1 to 5 indicate the successive steps that the reagent performs in its path through the plate.

Paso 1.- Rellenar la cámara de distribución. Step 1.- Fill the distribution chamber.

Paso 2.- A través de los conductos de inyección 40 el reactivo pasa del anverso al reverso de la placa, a la zona de los canales de flujo. Step 2.- Through the injection ducts 40 the reagent passes from the front to the back of the plate, to the area of the flow channels.

Paso 3.- El reactivo serpentea entre los obstáculos de los canales de flujo 50, entrando en contacto con el catalizador de la MEA. Step 3.- The reagent snakes between the obstacles of the flow channels 50, coming into contact with the catalyst of the MEA.

Paso 4.- El reactivo residual, a través de los conductos de extracción 41, retorna al anverso de la placa. Step 4.- The residual reagent, through the extraction ducts 41, returns to the front of the plate.

Paso 5.- Mediante la cámara de recogida 24, el reactivo sobrante se recoge y conduce a través del canal de intercomunicación 20 al orificio de salida 11. Step 5.- Through the collection chamber 24, the remaining reagent is collected and leads through the intercom channel 20 to the outlet port 11.

En un ejemplo de realización la placa presenta unas dimensiones de 80 x 80 mm, con un área reactiva de 25 cm2 repartida en cuatro unidades básicas iguales. Cada una de las unidades básicas contiene una cámara de distribución del reactivo de 784 mm3, cuatro conductos de inyección del reactivo de 0.8 x 12 mm, una zona de canales de flujo para la distribución del reactivo sobre los electrodos de 6 cm2, cuatro conductos de extracción de 0.8 x 12 mm y una cámara de recogida de reactivo sobrante. La zona de canales de flujo se compone de 6 canales paralelos entre sí y perpendiculares a la dirección principal del flujo de 1.2 mm de ancho y 1.2 mm de profundidad, además de dos canales paralelos a los anteriores de 0.6 mm de ancho y 1.2 mm de profundidad dispuestos sobre los conductos de inyección y recogida. En este ejemplo práctico, las líneas de obstáculos están compuestas por nervios colocados a tresbolillo de 1.2 mm de ancho, 3.6 mm de largo y 1.2 mm de profundidad, con separaciones de In one embodiment, the plate has dimensions of 80 x 80 mm, with a reactive area of 25 cm2 divided into four equal basic units. Each of the basic units contains a reagent distribution chamber of 784 mm3, four reagent injection ducts of 0.8 x 12 mm, an area of flow channels for the distribution of the reagent on the electrodes of 6 cm2, four conduits of 0.8 x 12 mm extraction and a reagent collection chamber. The flow channel zone consists of 6 channels parallel to each other and perpendicular to the main flow direction 1.2 mm wide and 1.2 mm deep, in addition to two channels parallel to the previous 0.6 mm wide and 1.2 mm wide channels. depth arranged on the injection and collection ducts. In this practical example, the obstacle lines are made up of ribs placed at 1.2 mm wide, 3.6 mm long and 1.2 mm deep, with separations of

1.6 mm en el eje vertical. La placa de la presente invención que se describe en este ejemplo de realización posee un diseño modular que permite que la misma placa sirva independientemente para ser utilizada en la zona anódica y catódica (Fig. 4, 5). Así mismo, para este ejemplo de realización se ha diseñado una tapa (201) a cada lado del stack para cerrarlo herméticamente siguiendo el mismo criterio de modularidad. De preferencia, la tapa contiene canales de distribución fresados en la cara interna, con el único objeto de ampliar el volumen de reactivo circulante. Entre la placa y la tapa se consigue así duplicar el volumen de los canales de distribución. Los canales de flujo aseguran una distribución homogénea de la concentración de los reactivos sobre las capas catalíticas del ánodo y cátodo, una distribución homogénea de la temperatura sobre la MEA y un contenido de agua en la membrana óptimo para el buen funcionamiento del sistema. La cámara de distribución tiene la función de repartir de manera homogénea a lo largo de una superficie similar a la que ocupa la MEA los reactivos antes de que éstos entren en contacto con las capas catalíticas. Los conductos de inyección tienen la función de conducir los reactivos desde las cámaras de distribución a las zonas donde se encuentran los catalizadores de la MEA, siendo ésta una distribución en múltiples puntos uniformemente repartidos a lo largo de la sección de la MEA. Por último, la zona de canales de flujo tiene como funciones la distribución homogénea de los reactivos sobre las capas catalíticas de la MEA maximizando la superficie de contacto entre ambos, y la evacuación rápida y homogénea del calor producido. De acuerdo con las especificaciones del diseño, el dispositivo se puede fabricar utilizando cualquier material que se utilice para la fabricación de placas (metales, compuestos poliméricos, grafito, etc.), obteniéndose la geometría propuesta por cualquiera de los procesos de fabricación habituales (mecanizado, moldeo, estampación, etc.). El diseño de estas placas de unidades básicas con área reactiva reducida, minimiza la variabilidad de las condiciones estacionarias de funcionamiento a lo largo de la MEA, ya que el recorrido que los reactivos hacen a lo largo de la superficie catalizadora de la MEA es más corto. Por tanto, las condiciones de concentración de reactivos, de generación de corriente, gestión del agua y del calor producido son más homogéneas en toda la superficie. En un ejemplo preferencial, el área se ha dividido en 4 unidades básicas, pero un experto en la materia apreciará que el área se puede dividir en tantas unidades básicas como se quiera para un tamaño de pila determinado, preferentemente de manera que los reactivos recorran distancias inferiores a 5 cm. De esta forma, tanto el proceso de funcionamiento como las variables más importantes que intervienen en él están bajo control. Además, la pérdida de carga que produce la geometría al paso de los reactivos es mucho menor que en otro tipo de geometrías como la de tipo laberinto, por ejemplo, donde la pérdida de carga es mayor y por tanto es necesaria una mayor potencia de impulsión del reactivo, con lo que el rendimiento global de la pila es menor, ya que para producir electricidad primero se ha de consumir energía para accionar una bomba de impulsión. Las unidades básicas están unidas de manera 1.6 mm on the vertical axis. The plate of the present invention described in this exemplary embodiment has a modular design that allows the same plate to serve independently for use in the anodic and cathodic zone (Fig. 4, 5). Likewise, for this exemplary embodiment a cover (201) has been designed on each side of the stack to close it tightly following the same modularity criteria. Preferably, the cap contains milled distribution channels on the inner side, with the sole purpose of expanding the volume of circulating reagent. The volume of the distribution channels can be doubled between the plate and the cover. The flow channels ensure a homogeneous distribution of the concentration of the reagents on the catalytic layers of the anode and cathode, a homogeneous distribution of the temperature on the MEA and an optimal membrane water content for the proper functioning of the system. The distribution chamber has the function of distributing homogeneously along a surface similar to that occupied by the MEA reagents before they come into contact with the catalytic layers. The injection ducts have the function of driving the reagents from the distribution chambers to the areas where the MEA catalysts are located, this being a distribution in multiple points evenly distributed along the section of the MEA. Finally, the flow channel zone has as functions the homogeneous distribution of the reagents on the catalytic layers of the MEA maximizing the contact surface between the two, and the rapid and homogeneous evacuation of the heat produced. According to the design specifications, the device can be manufactured using any material used for the manufacture of plates (metals, polymeric compounds, graphite, etc.), obtaining the geometry proposed by any of the usual manufacturing processes (machining , molding, stamping, etc.). The design of these basic unit plates with reduced reactive area minimizes the variability of the stationary operating conditions along the MEA, since the path that the reagents make along the catalytic surface of the MEA is shorter . Therefore, the conditions of reagent concentration, current generation, water management and heat produced are more homogeneous throughout the surface. In a preferential example, the area has been divided into 4 basic units, but one skilled in the art will appreciate that the area can be divided into as many basic units as desired for a given stack size, preferably so that the reagents travel distances less than 5 cm. In this way, both the operating process and the most important variables involved in it are under control. In addition, the loss of load produced by the geometry when the reagents pass is much less than in other types of geometries such as the labyrinth type, for example, where the load loss is greater and therefore a greater driving power is necessary. of the reagent, so that the overall performance of the battery is lower, since to produce electricity, energy must first be consumed to drive a discharge pump. The basic units are linked so

ES 2 395 300 A2 ES 2 395 300 A2

que el sistema funciona como un pequeño stack de pequeñas PEMFC conectadas en paralelo. Cada una de estas pequeñas PEMFC estaría formada por una unidad básica en la placa anódica, una unidad básica en la placa catódica y la zona de la MEA contenida entre ambas. En este ejemplo de realización el sistema completo es equivalente a la conexión en paralelo de cuatro mini PEMFC (Fig. 7). La unidad básica está delimitada en la placa por los canales de inyección y los canales de extracción y funcionaría como placa anódica o catódica en una pila independiente. Gracias a que cada unidad básica es pequeña en comparación a una pila de tamaño normal, el recorrido de los reactivos es más corto. Para obtener la misma potencia que en una pila de tamaño normal, se repite la misma geometría de la unidad básica varias veces, hasta cubrir el total de la sección reactiva de la pila. The system works like a small stack of small PEMFCs connected in parallel. Each of these small PEMFCs would consist of a basic unit in the anodic plate, a basic unit in the cathode plate and the area of the MEA contained between them. In this embodiment, the complete system is equivalent to the parallel connection of four mini PEMFCs (Fig. 7). The basic unit is delimited in the plate by the injection channels and the extraction channels and would work as an anodic or cathodic plate in a separate battery. Because each basic unit is small compared to a normal-sized battery, the reagent path is shorter. To obtain the same power as in a normal-sized battery, the same geometry of the basic unit is repeated several times, until the total reactive section of the battery is covered.

Se pueden asociar además diferentes conjuntos como los descritos anteriormente mediante conexiones en serie y/o paralelo para conseguir la potencia y/o tensión deseadas, disponiendo en las placas los elementos necesarios para hacer las conexiones eléctricas requeridas (Fig. 8). En este caso práctico la pila se compone de cuatro unidades básicas objeto de la invención que suman un total de 25 cm2 de área reactiva. La zona de canales de flujo está diseñada para facilitar que toda la superficie de la membrana reciba fluido reactivo en condiciones de concentración homogéneas. La Fig.3 representa un esquema de funcionamiento del dispositivo objeto de la invención. El combustible (hidrógeno o metanol) entra en la cámara de distribución 31. A través de los conductos de inyección 40 dispuestos a lo largo de la cámara de distribución, el combustible entra en la zona de los canales de flujo 50. Los canales de flujo disponen de una geometría compuesta por una serie de canales paralelos o no, separados una distancia adecuada en cada caso y con obstáculos de diversas formas geométricas diferentes para cada aplicación. En la Fig. 6 se pueden apreciar varios ejemplos de dichas geometrías. Los obstáculos pueden tener una sección circular, cuadrada, rectangular y combinaciones de las anteriores y su ordenación puede ser muy variada, aunque de preferencia simétrica. El diseño de los canales de flujo según la invención favorece la distribución homogénea a lo largo de toda la superficie del ánodo, así como el contacto del combustible con el electrodo poroso 106 (GDL) donde se difunde hasta llegar a la capa catalítica que hay junto a la membrana 108 y reacciona. Los electrones extraídos tras la reacción son recogidos por la placa y conducidos por un circuito externo, produciendo una corriente eléctrica. El combustible residual tras la reacción abandona la zona de canales de flujo a través de los conductos de extracción 41 llenando la cámara de recogida 24 desde la que será conducido al exterior de la pila a través del orificio de salida 11, para su posterior reutilización si fuera necesario. En el lado del cátodo, el oxidante (oxígeno o aire) entra en la cámara de distribución 111. A través de los conductos de inyección 112 dispuestos a lo largo de la cámara de distribución, el combustible entra en la zona de los canales de flujo 113. Los canales de flujo disponen de una geometría compuesta por una serie de canales paralelos entre sí (o no), separados una distancia adecuada en cada caso y con obstáculos de diversas formas geométricas diferentes para cada aplicación. El diseño de los canales de flujo favorece la distribución homogénea a lo largo de toda la superficie del cátodo, así como el contacto del combustible con el electrodo poroso 107 (GDL) donde se difunde hasta llegar a la capa catalítica que hay junto a la membrana 108 y reacciona. El oxidante residual tras la reacción abandona la zona de canales de flujo a través de los conductos de extracción 114 llenando la cámara de recogida 115 desde la que será conducido al exterior de la pila. Tanto en el ánodo como en el cátodo, las cámaras de distribución están separadas de las cámaras de recogida por paredes sólidas 117 pertenecientes a las placas, que evitan la mezcla de la corriente de entrada (con mayor concentración de reactivo) con la corriente de salida (de menor concentración). A ambos lados de la MEA, los reactivos pueden circular en el mismo sentido (circulación en concordancia) o en sentidos opuestos (circulación en contracorriente), en función de los requerimientos de la aplicación. La Fig. 4 representa un ejemplo de montaje de pila de combustible monocelda (conjunto explosionado) que contiene cuatro unidades básicas que incluyen cámara de distribución, conductos de inyección, canales de flujo, conductos de extracción y cámara de recogida. El conjunto está formado por dos tapas terminales 201, dos juntas de estanqueidad 202, dos placas según la invención 203 y una MEA 204 (Membrane Electrode Assembly) que incluye el catalizador y las capa difusora porosa (GDL) 205 a ambos lados. Las tapas terminales se pueden fabricar de cualquier material y por cualquiera de los procedimientos descritos anteriormente para las placas u otros, pudiendo contener en uno de sus lados una geometría idéntica a la de la placa para aumentar la capacidad de las cámaras de distribución y de recogida si fuera necesario. Todos los elementos que componen la pila de combustible monocelda del ejemplo representado en la Fig. 4 podrían disponer de múltiples orificios con diferentes funciones, como alojamiento de los elementos de sujeción del conjunto (tornillos It is also possible to associate different assemblies such as those described above by means of serial and / or parallel connections to achieve the desired power and / or voltage, with the necessary elements on the plates for making the required electrical connections (Fig. 8). In this case study, the battery consists of four basic units object of the invention that total a total of 25 cm2 of reactive area. The flow channel zone is designed to facilitate the entire surface of the membrane to receive reactive fluid under homogeneous concentration conditions. Fig. 3 represents an operating scheme of the device object of the invention. The fuel (hydrogen or methanol) enters the distribution chamber 31. Through the injection ducts 40 arranged along the distribution chamber, the fuel enters the area of the flow channels 50. The flow channels they have a geometry composed of a series of parallel channels or not, separated by a suitable distance in each case and with obstacles of different geometric shapes for each application. Several examples of these geometries can be seen in Fig. 6. The obstacles can have a circular, square, rectangular section and combinations of the previous ones and their arrangement can be very varied, although preferably symmetrical. The design of the flow channels according to the invention favors the homogeneous distribution along the entire surface of the anode, as well as the contact of the fuel with the porous electrode 106 (GDL) where it diffuses until it reaches the catalytic layer next to it. to membrane 108 and react. The electrons extracted after the reaction are collected by the plate and conducted by an external circuit, producing an electric current. The residual fuel after the reaction leaves the area of flow channels through the extraction ducts 41 filling the collection chamber 24 from which it will be taken to the outside of the battery through the outlet hole 11, for later reuse if It was necessary. On the cathode side, the oxidant (oxygen or air) enters the distribution chamber 111. Through the injection ducts 112 arranged along the distribution chamber, the fuel enters the area of the flow channels 113. The flow channels have a geometry composed of a series of channels parallel to each other (or not), separated by an appropriate distance in each case and with obstacles of various different geometric shapes for each application. The design of the flow channels favors the homogeneous distribution along the entire cathode surface, as well as the contact of the fuel with the porous electrode 107 (GDL) where it diffuses until it reaches the catalytic layer next to the membrane 108 and react. The residual oxidant after the reaction leaves the area of flow channels through the extraction ducts 114 filling the collection chamber 115 from which it will be taken to the outside of the cell. In both the anode and cathode, the distribution chambers are separated from the collection chambers by solid walls 117 belonging to the plates, which prevent the mixing of the input current (with greater concentration of reagent) with the output current (of lower concentration). On both sides of the MEA, the reagents can circulate in the same direction (circulation in agreement) or in opposite directions (circulation in countercurrent), depending on the requirements of the application. Fig. 4 depicts an example of a monocell fuel cell assembly (exploded assembly) containing four basic units including distribution chamber, injection ducts, flow channels, extraction ducts and collection chamber. The assembly is formed by two end caps 201, two gaskets 202, two plates according to the invention 203 and an MEA 204 (Membrane Electrode Assembly) which includes the catalyst and the porous diffuser layer (GDL) 205 on both sides. The end caps can be made of any material and by any of the procedures described above for the plates or others, and may contain on one of its sides a geometry identical to that of the plate to increase the capacity of the distribution and collection chambers If necessary. All the elements that make up the monocell fuel cell of the example shown in Fig. 4 could have multiple holes with different functions, as housing of the assembly fasteners (screws

o similar) 8. En caso necesario, el conjunto podría disponer de orificios con diferentes formas 10 para la conducción de algún fluido refrigerante con el fin de regular la temperatura de operación del sistema. Además, podrían disponerse otros orificios para la entrada y salida de los diferentes reactivos 12 y 14 que permitan la conducción y distribución de los mismos a través del conjunto. or similar) 8. If necessary, the assembly could have holes with different shapes 10 for the conduction of some refrigerant fluid in order to regulate the operating temperature of the system. In addition, other holes could be provided for the entry and exit of the different reagents 12 and 14 that allow the conduction and distribution thereof through the assembly.

ES 2 395 300 A2 ES 2 395 300 A2

Claims

1.one.: Placa con cámara de distribución de reactivo para pila de combustible caracterizada porque está dividida en unidades básicas capaces de funcionar como placa anódica o catódica de una pila independiente, estando dichas unidades básicas conectadas eléctricamente en paralelo a través del cuerpo de la propia placa. Plate with reagent distribution chamber for fuel cell characterized in that it is divided into basic units capable of functioning as an anode or cathode plate of an independent battery, said basic units being electrically connected in parallel through the body of the plate itself.

2.2.: Placa con cámara de distribución de reactivo para pila de combustible según la reivindicación 1 caracterizada porque comprende un anverso y un reverso provistos de orificios de entrada del reactivo (13) y orificios de salida del reactivo residual (11), donde el anverso comprende además una pluralidad de cámaras de distribución (31) comunicadas con el orificio de entrada (13) y una pluralidad de cámaras de recogida (24) comunicadas con el orificio de salida (11), el reverso comprende canales de flujo (50) para la distribución del reactivo sobre la membrana de la pila, y conductos de inyección (40) y de extracción (41) que comunican el anverso con el reverso y delimitan cada unidad básica. Plate with fuel cell reagent distribution chamber according to claim 1 characterized in that it comprises an obverse and a reverse provided with reagent inlet holes (13) and residual reagent outlet holes (11), wherein the obverse further comprises a plurality of distribution chambers (31) communicated with the inlet port (13) and a plurality of collection chambers (24) communicated with the outlet port (11), the reverse comprises flow channels (50) for the distribution of the reagent on the cell membrane, and injection (40) and extraction ducts (41) that communicate the front with the back and delimit each basic unit.

3.3.: Placa con cámara de distribución de reactivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizada porque el número de unidades básicas es cuatro. Plate with reagent distribution chamber according to any of the preceding claims characterized in that the number of basic units is four.

4.Four.: Placa con cámara de distribución de reactivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizada porque los orificios de entrada (13) y salida (11) están comunicados mediante canales de intercomunicación (30, 20) con las cámaras de distribución (31) y de recogida (24) respectivamente. Plate with reagent distribution chamber according to any of the preceding claims, characterized in that the inlet (13) and outlet (11) holes are communicated via intercom channels (30, 20) with the distribution (31) and collection ( 24) respectively.

5.5.: Placa con cámara de distribución de reactivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizada porque tanto el anverso como el reverso disponen de orificios (9, 10) alrededor de las unidades básicas para la conducción de fluido refrigerante. Plate with reagent distribution chamber according to any of the preceding claims characterized in that both the front and the back have holes (9, 10) around the basic units for the conduction of refrigerant fluid.

6.6.: Placa con cámara de distribución de reactivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizada porque los canales de flujo tienen una configuración simétrica y están separados entre sí por líneas de obstáculos y huecos dispuestos a tresbolillo. Plate with reagent distribution chamber according to any of the preceding claims characterized in that the flow channels have a symmetrical configuration and are separated from each other by obstacle lines and gaps arranged on a three-pin.

7.7.: Placa con cámara de distribución de reactivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizada porque los canales de distribución y recogida están separados por paredes sólidas (117) que evitan la mezcla de las corrientes de entrada y salida. Plate with reagent distribution chamber according to any of the preceding claims characterized in that the distribution and collection channels are separated by solid walls (117) that prevent the mixing of the input and output currents.

8.8.: Pila de combustible que incorpora un conjunto de placas según cualquiera de las reivindicaciones anteriores colocadas en serie para formar un stack, y donde cada una de las placas dispone de conexiones eléctricas adaptadas para la interconexión de las mismas. Fuel cell incorporating a set of plates according to any of the preceding claims placed in series to form a stack, and where each of the plates has electrical connections adapted for interconnecting them.

9.9.: Pila de combustible según la reivindicación 8 caracterizada porque comprende juntas de estanqueidad (202) y tapas terminales (201) a cada lado del conjunto de placas. Fuel cell according to claim 8 characterized in that it comprises gaskets (202) and end caps (201) on each side of the plate assembly.

10.10.: Uso de la placa según reivindicaciones 1 a 7 para la fabricación de una pila de combustible tipo PEM. Use of the plate according to claims 1 to 7 for the manufacture of a PEM type fuel cell.