ES2615907T3 - Diseño de placas bipolares para el uso en celdas electroquímicas enfriadas por conducción - Google Patents

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Abstract

Una celda electroquímica (20) que comprende: un área activa (50) que comprende un primer electrodo, un segundo electrodo, una membrana de electrolito dispuesta entre el primero y el segundo electrodo, y una primera estructura de flujo (22) adyacente al primer electrodo; al menos una placa bipolar (30) adyacente a la primera estructura de flujo (22), la al menos una placa bipolar (30) que comprende una pluralidad de superficies de fluido refrigerante localizadas fuera del límite del área activa (50); en donde la al menos una placa bipolar (30) se configura para funcionar como un disipador de calor para recolectar el calor generado en el área activa (50) durante el funcionamiento de la celda y para conducir el calor a la pluralidad de superficies de fluido refrigerante; y además en donde al menos una de la pluralidad de las superficies de fluido refrigerante se proporciona con una estructura de disipación de calor para facilitar la eliminación del calor de al menos una placa bipolar (30), caracterizado porque la estructura de disipación de calor comprende un colector de borde térmicamente acoplado a un borde de la al menos una placa bipolar (30), y además en donde un conjunto de canales del fluido refrigerante se encamina a través del colector de borde.

Description

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también el sello 25, están contenidos completamente dentro del perímetro de la estructura de flujo de baja presión 28, como semuestra en la Figura 3B.
En una modalidad ilustrativa, las estructuras de flujo 22, 28 se fabrican mediante el uso de espumas metálicas u otros sustratos metálicos porosos. En una de tales modalidades, una estructura de flujo celular abierta se forma mediante la compactación de un material metálico altamente poroso, tales como, por ejemplo, una espuma metálica, frita de metal sinterizado, o cualquier otro metal poroso. El material metálico poroso puede comprender un metal, tal como, por ejemplo, acero inoxidable, titanio, aluminio, níquel, hierro, etc., o una aleación de metal, tal como, aleación de níquelcromo, aleación de níquel-estaño, etc. En ciertas modalidades, la estructura de flujo de baja presión 28 se compacta a un nivel de densidad mayor que el de la estructura de flujo de alta presión 22. Además, en algunas modalidades, la matriz metálica porosa compactada se lamina en un lado con una capa de material microporoso (MPL) para formar la estructura de flujo. En las modalidades adicionales, la MPL se recubre con una capa electrocatalizadora si el electrocatalizador no es integral con el conjunto de electrodo con membrana. La estructura laminada resultante puede disponerse en la celda electroquímica con la capa electrocatalizadora posicionada adyacente a la membrana. En algunas modalidades donde la MPL no se usa, la capa electrocatalizadora puede colocarse directamente sobre el sustrato metálico poroso compacto en el lado orientado hacia lamembrana de electrolito.
En las modalidades ilustrativas de pilas de celdas electroquímicas de enfriadas por conducción, la una o más placas bipolares en cada celda se configuran para funcionar como disipadores de calor. El calor generado durante el funcionamiento de la pila de celdas se recoge por las placas bipolares y el calor se conduce fuera del área activa de las celdas hacia la periferia de las placas donde el calor se elimina mediante el uso de los medios de transferencia de calor conocidos. Para que una placa bipolar funcione como un disipador de calor efectivo, la placa bipolar debe configurarse para que tenga suficiente grosor. En las modalidades ilustrativas, el grosor de una placa bipolar se determina en base a la tasa de generación de calor en la celda durante el funcionamiento, la conductividad térmica ("k") del material seleccionado para formar la placa, y el gradiente de temperatura deseado en una dirección ortogonal a la placa ("ΔT"). Para que una placa bipolar conduzca eficazmente el calor fuera del área activa de la celda hacia la periferia de la celda, el flujo térmico ("q") a lo largo de la longitud ("I") de una placa bipolar debe ser equivalente a la tasa de generación de calor en el área activa, que se determina en base a los parámetros de funcionamiento de la celda. El flujo térmico q es por lo tanto una función de la conductancia térmica a lo largo de la longitud de la placa ("k/l"), el grosor de la placa ("t") y el gradiente de temperatura deseado ΔT, como semuestra en la ecuación (1) más abajo.
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En base a la ecuación (1), el grosor t de la placa bipolar puede ajustarse para mantener el gradiente de temperatura deseado a través de la celda, como semuestra en la ecuación (2) más abajo.
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En las modalidades ilustrativas, el grosor de la una o más placas bipolares en la celda puede variar de aproximadamente 0.03 mm a aproximadamente 3 mm. Por ejemplo, el grosor de una placa bipolar puede variar de aproximadamente 0.03 mm a aproximadamente 2 mm, de aproximadamente 0.03 mm a aproximadamente 1 mm, de aproximadamente 0.05 mm a aproximadamente 2 mm, de aproximadamente 0.05 mm a aproximadamente 2 mm, de aproximadamente 0.1 mm a aproximadamente 2 mm, de aproximadamente 0.1 mm a aproximadamente 1 mm, de aproximadamente 0.5 mm a aproximadamente 2 mm, de aproximadamente 0.5 mm a aproximadamente 1 mm, de aproximadamente 0.2 mm a aproximadamente 1 mm, de aproximadamente 0.2 mm a aproximadamente 0.8 mm, de aproximadamente 0.4mm a aproximadamente 0.6mm, etc. En una modalidad ilustrativa de una celda electroquímica, la una o más placas bipolares se fabrican de una única pieza de material con un bolsillo formado en ella para contener/soportar la estructura de flujo, como se muestra en la Figura 2. En otra modalidad, la una o más placas bipolares tienen un diseño de "dos piezas", como se ilustra en la Figura 4. En tal modalidad, la placa bipolar 30 comprende una pieza que enmarca dos piezas separadas 30A, que forma un bolsillo para la estructura de flujo, y una placa generalmente plana 30B. Las dos piezas se unen en su interfaz 35 con un método de unión. El método de unión puede incluir, pero no selimita a, unión con adhesivo, soldadura, soldadura fuerte, unióntérmica con un polímero, etc.
En las modalidades ilustrativas, las placas bipolares pueden fabricarse de aluminio, acero, acero inoxidable, titanio, cobre, aleación de Ni-Cr, Inconel, o cualquier otro material eléctrica y térmicamente conductor. En las modalidades seleccionadas, la placa bipolar comprende un material que tiene una conductividad térmica y eléctrica mayor que la del acero inoxidable 316. En una modalidad, la placa bipolar comprende un material revestido, por ejemplo, aluminio revestido con acero inoxidable en uno o ambos lados. La Figura 5 ilustra una placa bipolar de "dos piezas" 30 en donde la placa plana 30B comprende un material revestido. El revestimiento proporciona las ventajas únicas de ambos metales, por ejemplo, en el caso de una placa bipolar fabricada de aluminio revestido de acero inoxidable, el acero inoxidable protege el núcleo de aluminio de la corrosión durante el funcionamiento de la celda, mientras que proporciona las propiedades superiores del material de aluminio, tales como, alta relación de resistencia a peso, alta conductividad térmica y eléctrica, etc.
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