ES2629177T3 - Pila de combustible con aislamiento eléctrico mejorado - Google Patents
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Abstract
Pila de combustible (12) que comprende un apilamiento (14) de al menos una celda electroquímica (15), adaptada para generar una corriente eléctrica a partir de una reacción de oxidorreducción entre un fluido oxidante y un fluido reductor, comprendiendo la o cada celda (15) una placa conductora anódica (18), que delimita un canal (30) de circulación del fluido reductor, una placa conductora catódica (20), que delimita un canal (32) de circulación del fluido oxidante, y una membrana de intercambio iónico (22) interpuesta entre las placas conductoras (18, 20), presentando cada placa conductora (18, 20) un borde exterior periférico (26) que está a una distancia D del borde exterior periférico (26) de la otra placa conductora (18, 20), y formando la membrana (22) una barrera para los electrones libres, y estando dispuesta con respecto a las placas conductoras (18, 20) de modo que un borde periférico exterior (25) de la membrana (22) sobresalga una longitud L hacia el exterior del apilamiento (14) con respecto a las placas conductoras (18, 20), caracterizada porque se cumple la relación siguiente: 2 x L + D >= 0,4 mm, de modo que la membrana (22) alarga las líneas de fuga aéreas (28) entre dichas placas conductoras (18, 20).
Description
DESCRIPCION
Pila de combustible con aislamiento electrico mejorado
5 [0001] La presente invencion se refiere a una pila de combustible, del tipo que comprende un apilamiento de
al menos una celda electroquimica, adaptada para generar una corriente electrica a partir de una reaccion de oxidorreduccion entre un fluido oxidante y un fluido reductor, comprendiendo la o cada celda una placa conductora anodica, que delimita un canal de circulacion del fluido reductor, una placa conductora catodica, que delimita un canal de circulacion del fluido oxidante, y una membrana de intercambio ionico interpuesta entre las placas 10 conductoras, formando dicha membrana una barrera para los electrones libres.
[0002] Dichas pilas de combustible son conocidas y constituyen una solucion ecologica de aporte de energia
electrica.
15 [0003] Un problema que se plantea con ciertas pilas de combustible es la creacion de un cortocircuito de las
placas conductoras. Cuando ocurre dicho suceso, la pila de combustible no puede funcionar, e incluso corre el riesgo de resultar danada definitivamente.
[0004] Para evitar que se produzcan dichos cortocircuitos, es posible prolongar la membrana de intercambio
20 ionico fuera de la zona activa de la celda en la que se produce la reaccion de oxidorreduccion. De este modo, el borde periferico exterior de la membrana de intercambio ionico esta generalmente a ras con el borde periferico exterior de las placas conductoras. Generalmente, una junta se interpone entre la membrana y cada placa conductora para garantizar la estanqueidad, contribuyendo esta junta al aislamiento electrico de las placas.
25 [0005] Sin embargo, esta solucion no resulta satisfactoria, en la medida en que el conjunto formado por
juntas y por la membrana de intercambio ionico es generalmente demasiado fino para garantizar un buen aislamiento electrico entre las placas conductoras. Ademas, las lineas de fuga en el aire en el exterior del apilamiento son muy cortas y, siendo las pilas de combustible utilizadas generalmente en una atmosfera humeda, existe un riesgo importante de que se produzca una ruptura dielectrica en el aire que ocasiona un cortocircuito entre 30 las placas conductoras. Finalmente, es posible que, durante una operacion de manutencion de la pila de combustible, un elemento conductor exterior se aloje entre las placas conductoras y forme un cortocircuito entre estas placas.
[0006] Una solucion para compensar la falta de grosor del conjunto formado por la membrana y las juntas es 35 aportada por el documento JP 2002 352817, que propone depositar un material aislante electrico en la superficie de
las placas conductoras, alrededor de la zona activa. Sin embargo, dicho deposito de material aislante sobre las placas conductoras constituye una operacion costosa.
[0007] Para proteger la pila de combustible de elementos conductores exteriores y evitar las rupturas 40 dielectricas en el aire, es posible envolver el apilamiento en una resina aislante. Esta solucion es, no obstante muy
restrictiva, en la medida en que impone una operacion suplementaria en la fabricacion de la pila de combustible, dificulta la disipacion termica en funcionamiento, y se opone a la dilatacion termica de las placas conductoras en funcionamiento. Ademas, el mantenimiento de la pila de combustible es complicado por la presencia de esta envuelta de resina.
45
[0008] Las soluciones mencionadas anteriormente no son, por lo tanto, completamente satisfactorias.
[0009] El documento US 2009/0162732 divulga, por otro lado, una pila de combustible en la que el borde periferico exterior de las membranas de intercambio ionico sobresale ligeramente hacia el exterior con respecto al
50 borde periferico exterior de las placas conductoras. Esta caracteristica, tiene, sin embargo, como unica funcion permitir una identificacion facil de las caras catodica y anodica de la membrana por un ensamblador.
[0010] Un objetivo de la invencion es proponer una pila de combustible poco costosa, adaptada para evitar que se produzca un cortocircuito entre las placas conductoras de la pila, y de facil mantenimiento.
55
[0011] A tal efecto, la invencion tiene por objeto una pila de combustible del tipo mencionado anteriormente, en la que la membrana se dispone con respecto a las placas conductoras, de modo que un borde periferico exterior de la membrana sobresalga hacia el exterior del apilamiento con respecto a las placas conductoras, para alargar las lineas de fuga aereas entre dichas placas conductoras.
[0012] En realizaciones particulares de la invencion, la pila de combustible presenta una o varias de las caracterlsticas siguientes, tomadas de forma aislada o siguiendo todas las combinaciones tecnicamente posibles:
5 - el borde periferico exterior de la membrana se deja libre;
- cada placa conductora presenta un borde exterior periferico que esta a una distancia D del borde exterior periferico de la otra placa conductora, y porque el borde periferico exterior de la membrana sobresale una longitud L con respecto a las placas conductoras, de modo que se cumple la relacion siguiente: 2 xL +D > 1mm;
- la longitud L es superior a 0,3 mm;
10 - la distancia D es estrictamente inferior a 0,5 mm, y preferentemente estrictamente inferior a 0,4 mm;
- una capa aislante electrica solida se interpone entre un borde exterior periferico de cada placa conductora y la membrana;
- el borde exterior periferico de cada placa conductora esta a una distancia de mas de 0,4 mm del borde exterior periferico de la otra placa conductora.
15
[0013] Otras caracterlsticas y ventajas de la invencion apareceran con la lectura de la descripcion a continuacion, dada unicamente a modo de ejemplo y realizada en referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
- la figura 1 es una vista en corte de una mitad de una pila de combustible segun la invencion, y
20 - la figura 2 es una vista en corte de un detalle de la pila de combustible, segun una variante de la invencion.
[0014] La pila de combustible 12, representada en la figura 1, esta adaptada para producir una corriente electrica mediante una reaccion de oxidorreduccion entre un fluido oxidante y un fluido reductor. A tal efecto, esta comprende un apilamiento 14 de celdas electroqulmicas 15, apiladas segun una direction longitudinal X de
25 apilamiento.
[0015] Por razones de simplification, solamente se ha representado una mitad de la pila 12, cortada segun un plano longitudinal mediano.
30 [0016] Cada celda 15 comprende un conjunto membrana-electrodo 16 intercalado segun la direccion
longitudinal X entre una placa conductora anodica 18 y una placa conductora catodica 20.
[0017] El conjunto membrana-electrodo 16 comprende una membrana 22 de intercambio ionico tomada en sandwich segun la direccion longitudinal X entre un anodo 24a y un catodo 24b.
35
[0018] La membrana 22 separa los fluidos oxidante y reductor.
[0019] La membrana 22 es generalmente una membrana de intercambio protonico, adaptada para no dejar que los protones la atraviesen. En particular, la membrana 22 forma una barrera a los electrones libres. De este
40 modo, alsla electricamente el anodo 24a del catodo 24b, y la placa anodica 18 de la placa catodica 20.
[0020] La membrana 22 es tlpicamente de material polimerico.
[0021] Un borde periferico exterior 25 de la membrana 22 sobresale hacia el exterior de la celda 15 con 45 respecto al anodo 24a y al catodo 24b, perpendicularmente a la direccion longitudinal X. El borde periferico exterior
25 sobresale por toda la circunferencia de la membrana 22, de modo que se extienda alrededor del anodo 24a y del catodo 24b en un plano perpendicular a la direccion longitudinal X. De este modo, el anodo 24a y el catodo 24b no estan a ras en ningun lugar el borde periferico exterior 25 de la membrana 22.
50 [0022] El anodo 24a y el catodo 24b comprenden, cada uno, un catalizador, tlpicamente platino o una
aleacion de platino, para facilitar la reaccion. Estan dispuestos uno en angulo recto respecto al otro a uno y otro lado de la membrana 22, y definen juntos una zona activa de la celda 15 en la que se produce la reaccion de oxidorreduccion.
55 [0023] Cada placa conductora 18, 20 presenta un borde exterior periferico 26. Los bordes exteriores
perifericos 26 de las placas conductoras 18, 20 estan practicamente alineados siguiendo la direccion longitudinal X. El borde exterior periferico 26 de cada placa conductora 18, 20 sobresale hacia el exterior del apilamiento 14 con respecto al anodo 24a y al catodo 24b, perpendicularmente a la direccion longitudinal X, por toda la circunferencia de la placa conductora 18, 20.
[0024] El borde exterior periferico 26 de la placa anodica 18 esta a una distancia D, tomada segun la
direccion longitudinal X, del borde exterior periferico 26 de la placa catodica 20.
5 [0025] El borde periferico exterior 25 de la membrana 22 sobresale hacia el exterior del apilamiento 14 con
respecto a las placas conductoras 18, 20, perpendicularmente a la direccion longitudinal X. El borde periferico exterior 25 sobresale por toda la circunferencia de la membrana 22 emergiendo de las placas conductoras 18, 20 por toda la circunferencia de las placas conductoras 18, 20 en un plano perpendicular a la direccion longitudinal X. De este modo, las placas conductoras 18, 20 no estan a ras en ningun lugar el borde periferico exterior 25 de la 10 membrana 22.
[0026] El borde periferico exterior 25 sobresale una longitud L con respecto a las placas conductoras 18, 20,
midiendose la longitud L entre el borde periferico exterior 25 y el proyectado ortogonal, segun la direccion longitudinal X, del borde exterior periferico 26 de cada placa conductora 18, 20 en la membrana 22. 15 Preferentemente, la longitud L es superior o igual a 0,2 mm, en particular a 0,3 mm.
[0027] En cualquier circunstancia, la longitud L cumple, con la distancia D, la relacion siguiente:
20
25
2 x L + D > 0,4 mm, en particular 2 x L + D > 1 mm
[0028] De este modo, las llneas de fuga aereas entre las placas conductoras 18, 20 de una misma celda, materializadas en la figura 1 mediante la llnea discontinua 28, tienen una longitud superior a 0,4 mm, en particular superior a 1 mm. Las condiciones de aislamiento electrico impuestas por las normas CEI 62282-2 y CEI 62282-3-1 se respetan, por lo tanto.
[0029] Preferentemente, la region periferica exterior 27 de la membrana 22, comprende entre el borde exterior periferico 26 de cada placa 18, 20 y el borde periferico exterior 25 de la membrana 22, se deja libre. De este modo, no esta capturada en una matriz de material, por ejemplo una matriz de resina aislante.
30 [0030] La placa anodica 18 delimita un conducto anodico 30 para la circulation del fluido reductor a lo largo
del anodo 24a y en contacto con este. Para ello, la placa 18 esta dotada de al menos un canal realizado en la cara de la placa 18 orientada hacia el conjunto membrana-electrodo 16 y encerrado por dicho conjunto membrana- electrodo 16. La placa anodica 18 esta formada de un material conductor de electricidad, tlpicamente grafito. El fluido reductor utilizado es un fluido que comprende dihidrogeno, como por ejemplo dihidrogeno puro.
35
[0031] La placa catodica 20 delimita un conducto catodico 32 para la circulacion del fluido oxidante a lo largo
del catodo 24b y en contacto con este. Para ello, la placa 20 esta dotada de al menos un canal realizado en la cara de la placa 20 orientada hacia el conjunto membrana-electrodo 16 y encerrado por dicho conjunto membrana- electrodo 16. La placa catodica 20 esta formada de un material conductor de electricidad, tlpicamente grafito. El 40 fluido oxidante utilizado es un fluido que comprende dioxlgeno, como por ejemplo dioxlgeno puro o una mezcla de aire y de dioxlgeno.
[0032] El anodo 24a esta en contacto electrico con la placa anodica 18. El catodo 24b esta en contacto electrico con la placa catodica 20. Es a nivel del anodo 24a donde tiene lugar la oxidation del fluido reductor y donde
45 se generan los electrones y los protones. Los electrones transitan a continuation mediante la placa anodica 18 hacia el catodo 24b de una celda 15 vecina, para participar en la reduction del fluido oxidante en la celda 15 vecina.
[0033] En el apilamiento 14, la placa anodica 18 de cada celda 15 esta en contacto con la placa catodica 20 de la celda 15 vecina. Las placas conductoras 18, 20 garantizan de este modo la transferencia de los electrones del
50 fluido reductor que circula en una de las celdas 15 del apilamiento 14 hacia el fluido oxidante que circula en otra celda 15 del apilamiento 14. Preferentemente, un canal (no representado) para la circulacion de un fluido de refrigeration esta formado en la interfase entre las placas anodica 18 y catodica 20.
[0034] Como variante, las placas anodica 18 y catodica 20 de dos celdas 15 vecinas del apilamiento 14 55 constituyen una sola pieza y forman juntas una placa bipolar.
[0035] La celda 15 comprende, ademas, juntas 34, 36 para garantizar la estanqueidad entre las placas conductoras 18, 20 por un lado, y el conjunto membrana-electrodo 16 por otro lado. Una primera junta 34 esta interpuesta segun la direccion longitudinal X entre la placa conductora anodica 18 y la membrana 22, y una segunda
junta 36 esta interpuesta segun la direccion longitudinal X entre la placa conductora catodica 20 y la membrana 22, en angulo recto a la primera junta 34. Cada junta, respectivamente 34, 36, se extiende alrededor del anodo 24a, respectivamente del catodo 24b.
5 [0036] Las celdas 15 se mantienen apiladas gracias a placas de apriete (no representadas) dispuestas en los
extremos longitudinales del apilamiento 14. Pernos de apriete (no representados) ejercen una fuerza de apriete sobre estas placas para mantenerlas en compresion contra las celdas 15.
[0037] En la variante representada en la figura 1, el borde exterior periferico 26 de cada placa conductora 18, 10 20 esta a distancia de la membrana 22 siguiendo la direccion longitudinal X. En otros terminos, el borde exterior
periferico 26 esta separado de la membrana 22. La distancia D es superior al grosor de la membrana 22.
[0038] En particular, un espacio vaclo 40 esta realizado entre el borde exterior periferico 26 de cada placa conductora 18, 20 y la membrana 22. En este espacio vaclo 40 no esta dispuesto ningun elemento solido. De este
15 modo, se facilita la fabricacion del apilamiento 14.
[0039] La distancia D es entonces preferentemente estrictamente inferior a 0,4 mm. De este modo, el volumen del apilamiento 14 esta limitado.
20 [0040] En la variante representada en la figura 2, una capa 42 de material aislante electrico, tlpicamente de
resina, esta depositada entre el borde exterior periferico 26 de cada placa conductora 18, 20 y la membrana 22. Cada capa 42 llena el espacio entre el borde exterior periferico 26 de la placa conductora 18, 20 correspondiente y la membrana 22. El borde periferico exterior 25 de la membrana 22 sobresale de las capas 42 de material aislante interpuesta entre la membrana 22 y cada placa conductora 18, 20, perpendicularmente a la direccion longitudinal X. 25
[0041] Las capas 42 de material aislante y la membrana 22 evitan el deposito de elemento conductor entre las placas conductoras 18, 20.
[0042] La distancia D es entonces superior a 0,4 mm, para respetar las normas CEI 62282-2 y CEI 62282-330 1.
[0043] Gracias a la invencion, se evita que se produzca un cortocircuito entre las placas conductoras 18, 20 de una misma celda 15, a menor coste. En particular, las llneas de fuga aereas entre las placas 18, 20 son suficientemente largas para evitar cualquier riesgo de ruptura dielectrica, y las placas 18, 20 estan protegidas de
35 eventuales elementos conductores exteriores que entrarlan en contacto con el apilamiento 14.
[0044] Ademas, se facilita el acceso a los elementos del apilamiento 14, lo que permite un facil mantenimiento de la pila 12.
Claims (6)
- REIVINDICACIONES1. Pila de combustible (12) que comprende un apilamiento (14) de al menos una celda eiectroqulmica(15), adaptada para generar una corriente electrica a partir de una reaccion de oxidorreduccion entre un fluido 5 oxidante y un fluido reductor, comprendiendo la o cada celda (15) una placa conductora anodica (18), que delimita un canal (30) de circulacion del fluido reductor, una placa conductora catodica (20), que delimita un canal (32) de circulacion del fluido oxidante, y una membrana de intercambio ionico (22) interpuesta entre las placas conductoras (18, 20), presentando cada placa conductora (18, 20) un borde exterior periferico (26) que esta a una distancia D del borde exterior periferico (26) de la otra placa conductora (18, 20), y formando la membrana (22) una barrera para los 10 electrones libres, y estando dispuesta con respecto a las placas conductoras (18, 20) de modo que un borde periferico exterior (25) de la membrana (22) sobresalga una longitud L hacia el exterior del apilamiento (14) con respecto a las placas conductoras (18, 20), caracterizada porque se cumple la relacion siguiente: 2 x L + D > 0,4 mm, de modo que la membrana (22) alarga las llneas de fuga aereas (28) entre dichas placas conductoras (18, 20).15 2. Pila de combustible (12) segun la reivindicacion 1, caracterizada porque el borde periferico exterior(25) de la membrana (22) se deja libre.
- 3. Pila de combustible (12) segun la reivindicacion 1 o 2, caracterizada porque se cumple la relacion siguiente: 2 x L + D > 1 mm.20
- 4. Pila de combustible (12) segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la distancia D es estrictamente inferior a 0,5 mm, y preferentemente estrictamente inferior a 0,4 mm.
- 5. Pila de combustible (12) segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque una 25 capa (42) aislante electrica solida se interpone entre un borde exterior periferico (26) de cada placa conductora (18,20) y la membrana (22).
- 6. Pila de combustible (12) segun la reivindicacion 5, caracterizada porque el borde exterior periferico(26) de cada placa conductora (18, 20) esta a una distancia de mas de 0,4 mm del borde exterior periferico (26) de la 30 otra placa conductora (18, 20).
- 7. Pila de combustible (12) segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la longitud L es superior a 0,2 mm.35 8. Pila de combustible (12) segun la reivindicacion 7, caracterizada porque la longitud L es superior a0,3 mm.
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