ES2397144B1 - Placa de pila de combustible con geometría de flujo en forma de "espina de pez". - Google Patents

Placa de pila de combustible con geometría de flujo en forma de "espina de pez". Download PDF

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Abstract

Placa de pila de combustible con geometría de flujo en forma de ?espina de pez?.#La placa de pila de combustible, que se utiliza generalmente para distribuir de forma homogénea los fluidos reactantes sobre las áreas de reacción química correspondientes a las capas catalíticas (electrodos), presenta en cada una de estas áreas de reacción química una geometría de flujo en forma de ?espina de pez? que comprende canales delimitados por unos nervios, dispuestos de tal forma que el canal de entrada se bifurca en canales que ocupan dos estructuras laberínticas simétricas y que terminan confluyendo en un canal de salida, de manera que se optimizan las reacciones electroquímicas responsables de la generación de electricidad y adicionalmente, se facilita la salida a los productos de las reacciones.

Description

PLACA DE PILA DE COMBUSTIBLE CON GEOMETRÍA DE FLUJO EN
FORMA DE "ESPINA DE PEZ"
5
OBJETO DE LA INVENCIÓN
El objeto principal de la presente invención es una placa de pila de
combustible con geometría de flujo en forma de "espina de pez", que se
1 o
utiliza, en general, para distribuir homogéneamente los gases reactantes
sobre las capas catalíticas (electrodos) de las pilas de combustible, de
cara a optimizar las reacciones electroquímicas responsables de la
generación de electricidad y adicionalmente, para facilitar la salida a los
productos de las reacciones.
15
Las aplicaciones en las que pueden emplearse estas pilas de
combustible son muy variadas, abarcando desde las portátiles con
micropilas como cargadores de móviles, suministro de energía para
ordenadores portátiles entre otros, hasta las estacionarias en unidades de
2 o
alimentación ininterrumpida o de back-up, unidades de calor y potencia
para casas y urbanizaciones, etc., pasando por las móviles (automóviles,
sillas de rueda, vehículos especiales, etc.).
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
25
En general, la pila de combustible es un sistema de producción de
energía basado en la descomposición del combustible en el ánodo,
gracias a la presencia de un catalizador, en electrones e iones. Un medio
electrolítico separa el ánodo del cátodo, y permite únicamente el paso de
3 o
los iones a través del mismo, impidiendo que los electrones puedan
atravesarlo. Cuando la corriente electrónica se hace circular por el exterior
de la pila, el dispositivo actúa como generador de electricidad. Finalmente,
electrones e iones se recombinan en el cátodo.
La pila de combustible está formada por un ensamblaje o apilamiento
de celdas de combustible (fue// ce// stack), en un número suficiente para
5
asegurar la producción de electricidad. La estructura física básica de una
celda elemental comprende una capa de electrolito en contacto con una
capa catalítica a cada lado, que actúan como ánodo y cátodo
respectivamente. A este conjunto se le denomina ensamblaje de
membrana y electrodos, o MEA. Las pilas de combustible comprenden
1 o
además capas difusoras de gases y placas bipolares a ambos lados de la
MEA. Además, son también necesarios una serie de elementos
adicionales como son las placas terminales, las juntas y sellos, los tornillos
y tuercas que aseguran la estanqueidad necesaria en las diferentes zonas
de la pila, así como otros elementos de conexión y aislamiento.
15
Las placas de pilas de combustibles son elementos mecánicos que
delimitan la celda, facilitan la entrada de los diferentes gases que
reaccionan así como la salida de los productos de las reacciones en cada
uno de los electrodos, y es el elemento sobre el que se realizan las
conexiones del circuito eléctrico exterior.
2 o
La placa de pila de combustible incorpora un área de reacción
química que se encuentra en contacto con la parte del electrodo
correspondiente a través de la capa difusora. Las áreas de reacción
química presentan geometrías de flujo formada por canales delimitados
por nervios, por los que se distribuyen los fluidos reactantes que se van a
2 5
ir consumiendo en el electrodo correspondiente.
En la actualidad, y como referencia al estado de la técnica, debe
mencionarse que existe una gran variedad de diseños en placas para pilas
de combustible que intentan resolver los problemas vigentes: elevado
coste, complejidad de los procesos de mecanizado o sinterizado, precisión
3 o
requerida en la conformación de las placas bipolares para el correcto
contacto eléctrico y evitar las fugas en el sellado, elevada resistencia
eléctrica de algunos materiales conductores usados en las placas
bipolares, la obstrucción de una parte importante de la superficie activa del
electrodo por los contactos eléctricos, entre las placas bipolares y los
electrodos, que dificultan el acceso de gas a los puntos de catálisis, el
5
peso excesivo de los componentes pasivos de la pila (bipolares, prensa de
cerramiento, dispositivos de alimentación, conexión, refrigeración y
soporte, etc.).
Son conocidos múltiples tipos de placas para pilas de combustibles,
como son, por ejemplo: US 143967P (Teledyne Energy System, lnc.)
1 o
1999, US 3 801 37 4 (2000), GB 1 135 076 (2001 ), US 4 117 065 (2002),
US 4 360 485 (2002), DE 103 43 267 (Martin GMBH) 2003, US 6 764 786
B2 (Aaron W. Morrow) 2004, FR 2 81 O 795 A 1 (2004), ES 2 235 915 T3
(Braun, James, C.) 2005, ES P200602547 (Barreras T. Félix) 2006, ES 2
280 641 T3 (Muller, Alwin) 2007, US 7419739 (Lai; Yeh-Hung) 2008.
15
En esos diferentes registros patentados se reflejan variantes en sus
diseños y composición para la fabricación de placas, sin embargo debe
señalarse que, por parte del peticionario, se desconoce la existencia de
alguno que presente las características técnicas, estructurales y de
configuración semejante a las que describe el sistema objeto de la
2 o
invención.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La placa de pila de combustible con geometría de flujo en forma de
2 5
"espina de pez" es un sistema que proporciona una adecuada difusión de
los diferentes gases reactivos que se van a ir consumiendo en las
respectivas áreas activas de los electrodos y facilita la salida a los
productos de las reacciones.
Con el fin de realizar estas funciones, el área de reacción química
3 o
de la placa objeto de la invención presenta unas canalizaciones dispuestas
de tal forma que el canal de entrada del fluido se ramifica en múltiples
canales simétricamente en dos estructuras laberínticas a ambos lados de
la diagonal de la misma área de reacción química, confluyendo todos los canales de las dos estructuras laberínticas en un único canal de salida. Para identificar esta geometría de flujo se le ha dado el nombre de "espina
5 de pez" (herríngbone, en inglés), por su similitud de forma con el espinazo de un pez. Se ha constatado experimentalmente que esta geometría de flujo presenta ventajas cuando se compara con otras utilizadas comúnmente en pilas de combustible comerciales.
10 El área de reacción química puede ser cuadrangular, presentando los canales de entrada y salida en los dos extremos opuestos de una misma diagonal, o también, puede ser circular o elíptica, presentando los canales de entrada y salida en los dos extremos opuestos de un mismo eje de simetría tal que forme un ángulo variable, entre 11 oo y 150°, con los
15 canales en los que se ramifica inicialmente.
En general, un área de reacción química con geometría de flujo en forma de "espina de pez" comprende unos canales delimitados por unos nervios, dispuestos de tal forma que el canal de entrada se bifurca en dos
2 o canales paralelos que a su vez se van subdividiendo, ocupando las dos estructuras laberínticas simétricas, las cuales pueden ser descritas como estructuras laberínticas compuestas por canales y nervios, circulando paralelos a lo largo de sectores con configuración acodada de 90º y doblemente acodada de 180º para terminar por confluir en un canal de
25 salida. La geometría de flujo en forma de "espina de pez" tiene las siguientes características generales:
• el ancho de los canales, su número y el espesor de los nervios
dependen del área activa de electrodo a cubrir, la cual 30 determina la superficie del área de reacción química de la placa.

• la relación entre el canal de entrada y el de salida se diseña dependiendo de la superficie del área de reacción química tal que ésta quede dividida de forma simétrica. Si dicha superficie es cuadrangular, los canales de entrada y salida se disponen en los dos extremos opuestos de una misma diagonal.
5 • el sentido de circulación de los fluidos reactantes se fijará de acuerdo con las aplicaciones específicas, al igual que la distancia a recorrer por los gases.
Se ha comprobado que la geometría de flujo de "espina de pez"
1 o proporciona un balance adecuado de los campos de presión y velocidad impuestos por la geometría de flujo a la circulación de los gases, lográndose unos campos homogéneos y una caída de presión tal que facilita a la vez la distribución uniforme de los fluidos reactantes (combustible y oxidante) y el arrastre del agua formada en los cátodos.
15 La placa objeto de la invención puede incorporar también una serie elementos típicos en las placas de pilas de combustible como por ejemplo:
• rebajes realizados en la parte trasera de la placa, para facilitar el suministro y extracción de fluidos reactantes, comunicando el
20 colector de entrada con el área de reacción química a través del canal de entrada y el área de reacción química con el colector de salida a través del canal de salida, respectivamente,
• agujeros para el paso de los tornillos como sistema de fijación de las placas que componen la pila,
2 5 • alojamientos y ranuras circulares para la colocación de juntas tóricas como sistema de sellado,

Por otro lado, cuando se requieren condiciones de explotación de la pila (presión y caudal de fluidos) con régimen de circulación del fluido 3 o oxidante en los cátodos "intermitente", el conducto de salida debe incorporar un sistema de control que permita, mediante una válvula de
drenaje, el cierre del circuito, durante un tiempo dado, haciendo que se
sobrepresione ligeramente el cátodo. Esta operación permite que al
abrirse dicha válvula de drenaje el gas arrastre las gotas de agua
generadas por la reacción química de forma más eficiente. En el caso del
5
ánodo, trabajando en régimen "cerrado", también se requiere un sistema
de control que chequea el valor de la presión, y un sistema de purgado.
La placa objeto de la invención puede emplearse para fabricar
placas bipolares o monopolares, pudiendo estar o no refrigeradas a través
1 o
de conductos de circulación de fluido refrigerante. Los métodos de
fabricación de estas placas pueden ser mediante mecanizado, moldeado o
estampado. Por último, estas placas pueden utilizarse para la fabricación
de pilas de combustible de los diferentes tipos PEM, óxido-sólido planas,
pilas alcalinas, entre otras.
15
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con
2 o
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 como parte integrante de dicha descripción, un
juego de figuras en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha
representado lo siguiente:
2 5
La figura 1 muestra una vista frontal de una placa con dos áreas de
reacción química y con sendas geometrías de flujo en forma de "espina de
pez".
La figura 2 muestra el detalle de una geometría de flujo en forma de
"espina de pez".
30
Las figuras 3a y 3b muestran la cara principal y la cara posterior de
una placa bipolar, con dos áreas de reacción química por cada cara y con
sendas geometrías de flujo en forma de "espina de pez".
Las figuras 4a y 4b muestran la cara principal y la cara posterior de
una placa monopolar refrigerada. La figura 4a muestra la cara principal, con
dos áreas de reacción química y con sendas geometrías de flujo en forma
5
de "espina de pez", y la figura 4b muestra la cara posterior, con los
conductos de circulación de fluido refrigerante.
Las figuras 5a y 5b muestran la cara principal y la cara opuesta de
una placa empleada como placa monopolar refrigerada, adaptada para
poder unirse a la anterior placa monopolar refrigerada, mostrada en las
1 o
figuras 4a y 4b. La figura 5a muestra la cara principal, con dos áreas de
reacción química y con sendas geometrías de flujo en forma de "espina de
pez", y la figura 5b muestra la cara posterior, con los conductos de
circulación de fluido refrigerante y un alojamiento alrededor de toda el área
de refrigeración para la colocación de una junta tórica que evite el escape
15
del fluido refrigerante.
Las figuras 6a y 6b muestran dibujos axonométricos de las dos
placas monopolares refrigeradas anteriores que unidas, a través de las
caras refrigeradas, forman una placa bipolar refrigerada. Concretamente, la
figura 6a corresponde a la figura 4a, mientras que la figura 6b corresponde
2 o
a la figura 5b.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
A la vista de las mencionadas figuras, y de acuerdo con la
2 5
numeración adoptada, se puede observar en ellas un ejemplo de realización
preferente de la invención, la cual comprende las partes y elementos que se
indican y describen en detalle a continuación.
Así, tal y como se observa en la citada figura 1, podemos describir
una de las dos caras de una placa para pila de combustible con dos áreas
3 o
de reacción química (1, 2) con forma cuadrangular, dispuestas
simétricamente respecto a la horizontal.
La figura 2 muestra un área de reacción química (1) con una geometría de flujo en forma de "espina de pez", la cual a su vez comprende dos estructuras laberínticas (3, 4), separadas simétricamente por un nervio
5 central (23), que incorpora múltiples canales (5) separados por nervios (6).
El fluido de la pila, entrando por un orificio de entrada (7), alcanza el área de reacción química (1) a través de un canal de entrada (8) el cual se transforma en dos canales paralelos, separados por el nervio central (23), que a su vez se van bifurcando ocupando, según el diseño, toda la
1 o geometría y terminan confluyendo en un canal de salida (9) el cual evacua los fluidos excedentes a través de un orificio de salida (1 0). En concreto, cada estructura laberíntica (3, 4) incorpora un conjunto de canales (5), circulando paralelos a lo largo de
• sectores con configuración doblemente acodada de 180º (24),
15 entre los que se pliegan con orientación paralela al eje de simetría, volviendo a plegarse para entrar en el siguiente sector con la misma disposición, repitiendo esta secuencia sucesivamente, y
• un sector con configuración acodada de 90º (25), el cual finaliza
20 o inicia la estructura laberíntica según el sentido de circulación de los fluidos reactantes desde el canal de entrada (8) hacia el canal de salida (9) o viceversa.
Las figuras 3a y 3b muestran las dos caras de una placa bipolar. En
2 5 este caso, ambas caras (11, 12), presentan dos áreas de reacción química con sendas geometrías de flujo en forma de "espina de pez", para la distribución de fluidos reactantes. En la cara principal (11) se muestran orificios para alojar tornillos de apriete (13), así como asientos para el posicionamiento de juntas tóricas (14) que permiten el correcto sellado de

3 o los gases reactantes.
Las figuras 4a y 4b muestran las dos caras de una placa monopolar refrigerada. En este caso, la cara principal (15) incorpora dos áreas de reacción química y con sendas geometrías de flujo en forma de "espina de pez", y la cara posterior (16) incorpora los conductos de circulación de fluido refrigerante (17). El suministro de fluidos reactantes hacia el área de reacción química (1) se realiza, en este ejemplo, a través de un rebaje de entrada (18) realizado en la parte trasera que comunica con el canal de entrada (8). La salida de los fluidos reactantes excedentes se realiza de forma análoga, a través de un rebaje de salida (19).
Las figuras 5a y 5b muestran las dos caras de una placa monopolar refrigerada, adaptada para poder unirse a la anterior placa monopolar refrigerada, mostrada en las figuras 4a y 4b, para formar una placa bipolar refrigerada. La cara principal (20) incorpora dos áreas de reacción química y con sendas geometrías de flujo en forma de "espina de pez", y la cara posterior (21) incorpora los conductos de circulación de fluido refrigerante
(17) y un alojamiento perimetral (22) para la colocación de una junta tórica que evite el escape del fluido refrigerante.

Las figuras 6a y 6b muestran dibujos axonométricos de las dos placas monopolares refrigeradas anteriores que, unidas a través de las caras refrigeradas, forman una placa bipolar refrigerada. Concretamente, la figura 6a corresponde a la figura 4a, mientras que la figura 6b corresponde la figura 5b.

Claims (4)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Placa de pila de combustible caracterizada porque al menos una de
    las dos caras de la placa, bien la cara principal (11, 15, 20) o bien la cara 5 posterior (12, 16, 21 ), incorpora al menos un área de reacción química
    (1) con geometría de flujo en forma de "espina de pez" consistente en un canal de entrada (8) que se bifurca en dos canales (5) paralelos, separados por un nervio central (23) que determina dos estructuras laberínticas (3, 4) simétricas, formadas por un conjunto de canales (5)
    1 o paralelos que recorren
    • sectores con configuración doblemente acodada de 180º (24), entre los que se pliegan con orientación paralela al eje de simetría, volviendo a plegarse para entrar en el siguiente sector con la misma disposición, repitiendo esta secuencia
    15 sucesivamente, y
    • un sector con configuración acodada de 90º (25), el cual finaliza
    o inicia la estructura laberíntica según el sentido de circulación de los fluidos reactantes desde el canal de entrada (8) hacia el canal de salida (9) o viceversa,
    2 o confluyendo en un canal de salida (9) que evacua los fluidos excedentes.
  2. 2. Placa de pila de combustible según la reivindicación 1 caracterizada porque el área de reacción química (1) es cuadrangular y los canales de entrada (8) y salida (9) se disponen en los dos extremos opuestos
    2 5 de una misma diagonal, que constituye el nervio central (23).
  3. 3. Placa de pila de combustible según la reivindicación 1 caracterizada porque el área de reacción química (1) es circular o elíptica y los canales de entrada (8) y salida (9) se disponen en los dos extremos
    3 o opuestos de un mismo eje de simetría.
  4. 4. Placa de pila de combustible según la reivindicación 1 caracterizada
    porque la cara principal (11) y la cara posterior (12), incorporan áreas de reacción química (1 ), constituyendo una placa bipolar.
    5
    5. Placa de pila de combustible según la reivindicación 1 caracterizada porque la cara principal (15, 20) presenta el área de reacción química (1 ), mientras que la cara posterior (16, 21) presenta canales para la circulación del fluido refrigerante (17), constituyendo una placa monopolar refrigerada.
    1 o 15 2 o
    6. Placa de pila de combustible según la reivindicación 5 caracterizada porque la cara posterior (21) incorpora un alojamiento perimetral (22) para la colocación de una junta tórica que evite el escape del fluido refrigerante al unir ésta placa con otra para formar una placa bipolar refrigerada. 7. Placa de pila de combustible según la reivindicación 1 caracterizada porque la cara posterior (12, 16, 21) comprende un rebaje de entrada (18) y un rebaje de salida (19), que comunican con el canal de entrada (8), para facilitar el suministro del reactante, y con el canal de salida (9), para facilitar la evacuación de los excedentes respectivamente.
    2 5
    8. Placa de pila de combustible según la reivindicación 1 caracterizada porque al menos una de las dos caras de la placa, bien la cara principal (11, 15, 20) o bien la cara posterior (12, 16, 21 ), incorpora orificios para alojar tornillos de apriete (13).
    3 o
    9. Placa de pila de combustible según la reivindicación 1 caracterizada porque al menos una de las dos caras de la placa, bien la cara principal (11, 15, 20) o bien la cara posterior (12, 16, 21 ), incorpora asientos para el posicionamiento de las juntas tóricas (14) que permiten el correcto sellado de los gases reactantes.

    1O. Placa de pila de combustible según la reivindicación 1 caracterizada porque están fabricadas en un material seleccionado entre metales, óxidos metálicos, compuestos poliméricos y grafito.
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