ES2629208T3

ES2629208T3 - Placa de flujo de material compuesto para celda electrolítica

Info

Publication number: ES2629208T3
Application number: ES14703389.8T
Authority: ES
Inventors: Carsten Henneberg RØMER; Jørgen Schjerning LUNDSGAARD; Per WITTENHOFF; David Morgan Thomas
Original assignee: Ewii Fuel Cells AS
Current assignee: Ewii Fuel Cells AS
Priority date: 2013-02-08
Filing date: 2014-02-10
Publication date: 2017-08-07
Anticipated expiration: 2034-02-10
Also published as: WO2014122304A1; CA2818176A1; CN105247106B; US9828685B2; JP2016509634A; CA2818176C; EP2954097A1; CN105247106A; US20160002798A1; JP6272911B2; EP2954097B1

Abstract

Placa de flujo para su uso como colector de corriente anódica en una celda electrolítica para la producción de hidrógeno a partir de agua, comprendiendo la placa de flujo - una placa de canales, en la que una cara frontal de la placa de canales está provista de un dibujo de campo de flujo de canales cara abierta definidos por partes bajas que alternan con partes elevadas, y - una placa de cubierta realizada de un material que es resistente a la corrosión en un ambiente anódico de electrólisis del agua, en la que la placa de cubierta está dispuesta paralela en la parte superior de la placa de canales y, en la que la placa de cubierta está provista de un dibujo de aberturas pasantes alternadas con partes cerradas, en la que el dibujo de aberturas pasantes está alineado con las partes bajas, y en el que las partes cerradas cubren, por lo menos, las partes elevadas de la placa de canales.

Description

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

DESCRIPCION

Placa de flujo de material compuesto para celda electrolftica Campo tecnico

La presente invencion se refiere en un aspecto a una placa de flujo para su uso como colector de corriente anodica en una celda electrolftica. En otro aspecto, la invencion se refiere a una celda electrolftica. En otro aspecto mas, la invencion se refiere a una placa separadora bipolar para su uso como colector de corriente bipolar en un electrolizador de celdas apiladas, y en otro aspecto mas, la invencion se refiere a un electrolizador de celdas apiladas. Mas concretamente, la placa de flujo, la placa separadora bipolar, la celda electrolftica y el electrolizador de celdas apiladas son para la produccion de hidrogeno a partir del agua mediante electrolisis.

Antecedentes de la invencion

El hidrogeno es un elemento importante en la sustitucion de hidrocarburos y de energfa electrica basada en el carbono por medios alternativos sostenibles y ambientalmente apropiados, por ejemplo, en celdas de combustible impulsadas por hidrogeno. El hidrogeno, para este proposito puede ser producido utilizando fuentes de energfa variables tales como fuentes de energfa atmosferica o fotovoltaica con el fin de producir y almacenar hidrogeno para su conversion en energfa cuando existe una demanda. Esto elimina una de las principales objeciones a la instalacion de fuentes alternativas de energfa renovable, es decir, que la energfa a menudo se produce en momentos inapropiados y no tiene la disponibilidad de adaptarse a la variacion de la demanda de energfa diurna. Por lo tanto, se ha realizado un gran esfuerzo en el desarrollo de tecnologfas para facilitar la produccion y el almacenamiento de energfa basada en el hidrogeno.

Un elemento importante en este concepto de energfa basada en el hidrogeno son los dispositivos electroqmmicos que pueden convertir la energfa qmmica almacenada en el hidrogeno en energfa electrica (pilas de combustible de hidrogeno) y, viceversa, convertir la energfa electrica en energfa qmmica para su almacenamiento produciendo hidrogeno a partir del agua mediante electrolisis (electrolizadores de agua).

Las celdas de combustible basadas en electrolitos solidos han mejorado considerablemente con los anos, con respecto a proporcionar disenos comercialmente viables y metodos de fabricacion. Un aspecto del desarrollo se ha dirigido al diseno de los apilamientos de celdas de combustible con placas separadoras bipolares mejoradas que funcionan como colectores de corriente anodica / catodica y como placas de flujo para manejar el flujo de fluido lateral tanto del catodo como del anodo. Dichas placas de flujo bipolar pueden ser fabricadas con costes comercialmente viables, por ejemplo, a partir de materiales compuestos moldeables de compresion basadas en carbono / grafito. Por ejemplo, el documento EP 1 726 060 B1 divulga una placa separadora bipolar de doble funcion para su uso en un apilamiento de celdas de combustible basada en electrolitos polimericos solidos. Las placas separadoras bipolares tienen en una cara anterior un campo de flujo anodico, y en una cara posterior un campo de flujo catodico. La placa separadora bipolar puede facilitar el transporte de los reactantes y el calor hacia y desde las superficies reactivas, con el fin de mantener el proceso de conversion electrolftica y expulsar los productos de reaccion. Tal como se explica mas adelante en este documento, en el contexto de la tecnologfa de electrolitos solidos, los elementos separadores para celdas de combustible se fabrican a partir de materiales compuestos de carbono.

Sin embargo, tal como se menciono anteriormente, un concepto de la produccion y el almacenamiento de energfa basada en el hidrogeno tambien requiere electrolizadores adecuados para convertir la energfa electrica en energfa qmmica mediante la produccion de hidrogeno para almacenamiento. El hidrogeno se almacena en depositos de gas a altas presiones, por ejemplo, para su uso posterior como combustible en las celdas de combustible de hidrogeno. Los sistemas electrolizadores, por lo tanto, comprenden medios para comprimir el hidrogeno producido por el electrolizador. En una configuracion mas preferente, un denominado electrolizador de alta presion esta adaptado para producir directamente el hidrogeno a altas presiones, lo que permite transferir el hidrogeno del escape del electrolizador directamente a un recipiente de almacenamiento sin necesidad de dispositivos de compresion externos. Con ello se mejora la eficiencia global del sistema de conversion de energfa.

Aunque el coste para la fabricacion de apilamientos de celdas de combustible se ha reducido con exito por el avance de las tecnologfas, las mismas tecnologfas no pueden aplicarse de una manera directa a los dispositivos de electrolisis con electrolitos polimericos solidos. Por el contrario, el renovado enfoque en los dispositivos electrolfticos para la produccion de hidrogeno a partir de agua mediante electrolisis ha revelado numerosos desaffos para los materiales utilizados en tales dispositivos de electrolisis. Por ejemplo, el entorno del lado del anodo en un electrolizador de agua comprende una mezcla de oxfgeno en agua, la cual, en condiciones de funcionamiento de la celda con un potencial electrico aplicado, es altamente corrosivo para la mayona de los materiales. En particular, las planchas de flujo basadas en carbono / grafito anteriormente mencionadas utilizadas habitualmente en las celdas de combustible pEm no son en absoluto adecuadas para este entorno de fluido anodico altamente corrosivo. Por lo tanto, los disenos de pilas de combustible existentes no pueden utilizarse meramente en modo inverso para lograr la electrolisis del agua. En un enfoque, los materiales a base de carbono / grafito son reemplazados por materiales

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

resistentes a la corrosion, tales como el titanio. Sin embargo, esta solucion es muy cara y no es comercialmente viable a gran escala mas alla de aplicaciones en un ambito concreto altamente especializadas. Ademas, la conformacion del titanio para proporcionar una placa de flujo con dibujo tridimensional altamente complejo es una tarea costosa y que requiere mucho tiempo. Esto se suma al coste y contradice directamente la reduccion del coste requerida para producir un dispositivo comercialmente viable.

El documento US 4.214.969 divulga una placa separadora bipolar para un electrolizador de agua para una celda apilada. La placa separadora bipolar esta realizada de un material compuesto a base de carbono / grafito y tiene canales de cara abierta para la distribucion y la recogida de fluidos / gases en ambos lados de la placa separadora. La superficie lateral del anodo de la placa separadora bipolar esta sellada mediante una lamina metalica protectora. La lamina esta pegada o aplicada de otra manera para adaptarse al perfil de la superficie, incluyendo partes sobresalientes, paredes laterales del canal y el fondo del canal. Un flujo adecuado de agua a traves de la celda electrolftica puede necesitar una seccion transversal de una cierta area de los canales de fluido. Esto se podna conseguir ensanchando los canales. No obstante, los canales anchos de este tipo proporcionanan un soporte mecanico insuficiente para el MEA, en particular en presencia de una presion elevada en el lado catodico en comparacion con la presion en el lado anodico. Ademas, una aplicacion de conformacion de una lamina metalica delgada con espesores de aproximadamente 25 pm sobre un dibujo de campo del flujo con un perfil de canal profundo y estrecho sin perforar la lamina puede resultar una tarea tediosa y por lo tanto costosa. Ademas, el campo de flujo descrito proporciona una distribucion insatisfactoria del suministro de agua sobre la superficie del MEA, que resulta en puntos calientes y/o puntos secos que afectan a la eficiencia y a la vida util de las celdas electrolfticas.

El documento US 2001/0049044 A1 describe una disposicion de celda electroqmmica que utiliza una placa bipolar, en la que las placas bipolares estan formadas a partir de una sola o de multiples laminas de lamina metalica delgada, preferentemente titanio, gofradas con los campos de fluido. Cada lado de la placa bipolar puede incluir soportes de electrodos para evitar la extrusion del conjunto de membrana en los pasos. De acuerdo con la ensenanza del documento US 2001/0049044 A1, el metal debe utilizarse para formar los campos de fluido en lugar de los materiales a base de grafito. El documento WO 01/48852 A1 describe un conjunto de placa bipolar para su uso en celdas electroqmmicas. El conjunto descrito comprende primera y segunda chapas onduladas que forman un campo de flujo en comunicacion fluida con un conjunto de electrodos de membrana de celdas electroqmmicas. Los documentos US 2010/0178580 A1 y US 2007/0015035 A1 se refieren a apilamientos de celdas de combustible y los conjuntos de placas bipolares utilizados en tales apilamientos de celdas de combustible.

Por lo tanto, existe la necesidad de un dispositivo electrolftico mejorado para la produccion de hidrogeno a partir de agua por electrolisis, que este preferentemente adaptado para ser operado a presiones elevadas, que pueda funcionar de forma fiable durante un largo penodo de tiempo, y que pueda fabricarse a un coste comercialmente viable.

El objeto de la presente invencion es superar las desventajas de las placas de flujo conocidas anteriormente mencionadas o, por lo menos, proporcionar una alternativa.

El objeto se consigue mediante una placa de flujo de acuerdo con la reivindicacion independiente 1, en la que las realizaciones preferidas estan definidas por las reivindicaciones dependientes, tal como se describe continuacion.

A lo largo de la presente solicitud, el termino "lateral" se refiere a direcciones paralelas a un plano principal de un elemento plano, en la presente memoria, de la placa de flujo, y el termino "vertical" se refiere a direcciones perpendiculares al plano del elemento plano, en la presente memoria, de la placa de flujo. El termino fluido se refiere tanto a gases como a ftquidos o mezclas de los mismos. El acronimo PEM significa membrana de electrolito de poftmero (Polymer Electrolyte Membrane, en ingles), y el acronimo MEA significa conjunto de electrodo de membrana (Membrane Electrode Assembly, en ingles).

Compendio de la invencion

De acuerdo con un aspecto de la invencion, una placa de flujo es para su uso como colector de corriente anodica en una celda electrolftica para la produccion de hidrogeno a partir de agua. La placa de flujo comprende una placa de canales, en la que una cara frontal de la placa de canales esta provista de un dibujo de campo de flujo de canales de cara abierta definidos por partes bajas alternadas con partes elevadas, y una placa de cubierta realizada de un material que es resistente a la corrosion en un entorno anodico de electrolisis de agua, en la que la placa de cubierta esta dispuesta en paralelo en la parte superior de la placa de canales y en contacto electrico con la cara frontal del mismo, en la que la placa de cubierta esta provista de un dibujo de aberturas pasantes alternadas con partes cerradas, en la que el dibujo de las aberturas pasantes esta alineado con las partes bajas, y en la que las partes cerradas cubren por lo menos las partes elevadas de la placa de canales.

Proporcionando la placa de flujo como un conjunto de material compuesto que comprende dos partes, a saber, la placa de canales para transportar el flujo de fluido y la placa de cubierta para hacer frente al entorno qmmicamente agresivo en el anodo, se consigue una fabricacion a escala industrial barata y fiable de la placa de flujo, al mismo tiempo que proporciona una adecuada proteccion contra la corrosion a la placa de flujo.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

La placa de canales es una pieza a granel fabricada a partir de un material economico en el que los canales pueden formarse como una superficie tridimensional en un proceso bien controlado y economico. Las partes elevadas de la placa de canales estan en un plano comun y definen un plano superior de la placa de canales. Las partes bajas forman un fondo de canal y las paredes laterales llegan hasta las partes elevadas contiguas. Los canales estan abiertos en el plano superior. Por ello, se definen canales de cara abierta. Los canales que forman el dibujo del campo de flujo estan conectados a los orificios de alimentacion y de drenaje a traves de distribuidores respectivos. La placa de cubierta esta adaptada para proteger el material de la placa de canales del entorno corrosivo. Por lo tanto, la eleccion de materiales para la placa de canales es menos restrictiva y se pueden utilizar materiales mas economicos que son mas facilmente conformados para proporcionar un dibujo de campo de flujo de canales de abiertos que los materiales utilizados para la placa de cubierta. Ejemplos para dichos materiales de placa de canales son materiales compuestos de carbono / grafito, moldeables que pueden conformarse con alta precision a escala industrial a un coste relativamente bajo, por ejemplo, mediante moldeo por compresion. Tales materiales se utilizan de manera rutinaria para la fabricacion de placas separadoras bipolares en celdas de combustible PEM, tal como se describe en la Patente de Estados Unidos 7.615.308, pero se sabe que no son suficientemente resistentes a la corrosion cuando se exponen directamente al entorno anodico en un electrolizador de agua basado en PEM. Como ejemplo adicional, las placas de canales pueden estar realizadas de material compuesto de carbono conductor, con composiciones que estan comercialmente disponibles y bajo la marca comercial Bulk Molding Compounds, 1600 Powis Court West Chicago, Illinois 60185, por ejemplo, el material de la placa bipolar de ester virnlico de grado de moldeo por compresion especificado en la especificacion BMC 940-13905 o BMC 940-14868. Dichos materiales son adecuados para fabricar placas de canales mediante procedimientos convencionales de conformacion por compresion.

Dentro del penmetro lateral de la celda electrolftica, las partes cerradas de la placa de cubierta permanecen contra las partes elevadas de la primera placa de canales. De acuerdo con ello, las aberturas pasantes en la placa de cubierta estan alineadas lateralmente con canales subyacentes en la cara frontal de la placa de canales. Utilizar la placa de flujo de material compuesto como colector de corriente en una celda electrolftica implica que la placa de canales y la placa de cubierta estan realizadas de materiales electricamente conductores y estan en buen contacto electrico entre sf.

La placa de cubierta puede ser un material laminar relativamente delgado que esta adaptado para soportar el entorno altamente corrosivo en el lado anodico de un electrolizador de agua. Ejemplos de tales materiales son acero inoxidable AISI 316, titanio de grado 2, aleaciones de titanio de grados 7 y 7 H, o metales similares resistentes a la corrosion. Las laminas pueden tener un espesor inferior a 1 mm, por ejemplo, aproximadamente 0,7 mm o incluso aproximadamente 0,5 mm. El espesor de la lamina esta determinado, por un lado, por el interes en reducir el coste, el peso y el volumen del material, reduciendo tanto como sea posible el espesor, mientras que, por otro lado, los requisitos de estabilidad mecanica pueden dictar un ftmite inferior para el espesor. Las aberturas pasantes en un material laminar delgado se pueden proporcionar con alta precision a escala industrial a un coste relativamente bajo, por ejemplo, mediante corte por laser o por chorro de agua. Puesto que la placa de cubierta es simplemente un material de lamina delgada provisto de aberturas pasantes, tanto el coste del material como el coste de fabricacion para la etapa de estampacion se reducen significativamente en comparacion con una configuracion tridimensional sensible a la profundidad de canales en una pieza a granel de dichos materiales.

Cuando la placa de flujo de material compuesto se va a utilizar en una celda electrolftica, un lado frontal de la placa de cubierta que esta alejado de la placa de canales es para ponerse en contacto con el lado del anodo de un MEA a traves de un medio de distribucion de fluido, tipicamente un medio poroso, conductor y resistente a la corrosion, tal como fieltro de titanio. El agua que entra en la celda electrolftica a traves de un orificio de alimentacion es distribuida por el campo de flujo sobre la superficie lateral del anodo del MEA, suministrando asf al proceso electrolftico un reactante (en la presente memoria, agua) y proporcionando energfa de enfriamiento al proceso. Los productos de reaccion y el exceso de reactante, es decir, el oxfgeno y el exceso de agua, se eliminan de la celda electrolftica a traves del campo de flujo a traves de un orificio de drenaje. El abundante suministro de agua tiene principalmente dos propositos, a saber, asegurar un suministro suficiente de agua al proceso de reaccion de electrolisis y expulsar el exceso de calor con el exceso de agua, enfriando con ello la celda electrolftica. El exceso de calor, por ejemplo, procede de la corriente electrica que pasa a traves de la celda electrolftica, debido a la disipacion resistiva de la energfa electrica. El fluido que sale tambien arrastra los productos de la reaccion lateral del anodo, es decir, el oxfgeno generado por el proceso de electrolisis en el anodo del MEA.

Uno de los meritos de la presente invencion es la nueva percepcion de que el ataque corrosivo de la placa de cubierta puede ser suprimido de manera efectiva cubriendo las partes elevadas de la placa de cubierta con una lamina relativamente delgada de un material resistente a la corrosion, y separando las superficies interiores de los canales, es decir, las paredes laterales y el fondo del canal, que estan expuestos al fluido anodico, del anodo mediante una distancia minima que esta adaptada para suprimir la corrosion de la placa de cubierta. Para un diseno de celda electrolftica determinado, que incluye una placa de flujo de acuerdo con la presente invencion, la geometna de la seccion transversal del canal y/o de la seccion transversal de la placa de cubierta pueden ser adaptadas, de este modo, para conseguir una adecuada supresion de los ataques corrosivos en el material de la placa de canales. Por ejemplo, para un espesor determinado de la placa de cubierta y el medio de distribucion de fluido en una celda

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

electrolftica, esto se puede conseguir mediante una adecuada eleccion de la profundidad de los canales en la cara frontal de la placa de canales. Para espesores dados de los canales y del medio de distribucion de fluido, esto se puede conseguir igualmente eligiendo un espesor adecuado de la placa de cubierta. Ademas, para evitar el ataque corrosivo de las paredes laterales del canal, esto se logra preferentemente mediante el rebaje de las paredes del lado del canal con respecto a los bordes de las aberturas de la placa de cubierta, de tal manera que el canal en el plano superior sea mas ancho que la correspondiente abertura en la placa de cubierta.

Asimismo, de acuerdo con una realizacion, el dibujo del campo de flujo en la placa de canales es un sistema de canales de alimentacion y de drenaje interdigitalizados, en el que cada uno de los canales de alimentacion tiene un extremo de mas arriba que esta conectado, por lo menos, a un orificio de alimentacion a traves de por lo menos un colector de alimentacion, y tiene un extremo de mas abajo que termina en la placa de canales, en el que cada uno de los canales de drenaje tiene un extremo de mas arriba que termina en la placa de canales y un extremo aguas abajo que esta conectado, por lo menos, a un orificio de drenaje a traves de, por lo menos, un colector de drenaje, y en el que las aberturas de la placa de cubierta estan dispuestas en forma de un diagrama interdigitalizado de aberturas de alimentacion y de drenaje correspondientes al dibujo interdigitalizado de los canales de alimentacion y de drenaje.

El dibujo de campo de flujo interdigitalizado promueve una distribucion de flujo estable de fluido reactante a lo largo del plano de la zona de electrolisis activa del MEA. De este modo, se mejora el suministro de fluidos reactantes y de exceso de fluido para enfriar el MEA y para la humidificacion del PEM en funcionamiento. En consecuencia, se mejora la uniformidad de las condiciones de funcionamiento del proceso de electrolisis sobre la zona del MEA, lo que da como resultado un rendimiento y una vida util mejorados, del electrolizador.

Junto a cada uno de los canales de alimentacion estan dispuestos canales de drenaje, con el fin de formar un dibujo interdigitalizado de los canales de alimentacion y de drenaje. Puesto que ambos canales de alimentacion y de drenaje terminan en la placa de canales, los canales de alimentacion solo pueden comunicarse con los canales de drenaje sobre las partes elevadas. La cara frontal de la placa de canales esta protegida por la placa de cubierta. La placa de cubierta esta provista de un dibujo interdigitalizado de aberturas de alimentacion y de drenaje correspondientes al dibujo interdigitalizado de los canales de alimentacion y de drenaje en la placa de canales. Las aberturas de la placa de cubierta estan alineadas con las partes bajas que definen los canales de alimentacion y de drenaje de la placa de canales, mientras que las partes elevadas estan cubiertas por el material de la placa de cubierta en las partes cerradas. Las aberturas en la placa de cubierta estan adaptadas para proporcionar comunicacion de fluido entre los canales subyacentes y el medio de distribucion de fluido de una manera distribuida a lo largo, esencialmente, de toda la longitud de los canales de alimentacion y de drenaje respectivos. Algunas perforaciones aisladas distribuidas a lo largo de la longitud de los canales subyacentes, que estan separadas entre sf por largas secciones de partes cerradas, tienden a dejar zonas de flujo estancado alrededor y entre las perforaciones y, por lo tanto, habitualmente no son adecuadas para el proposito. En tal diseno de "lrnea de puntos" de las aberturas formadas por perforaciones que alternan con puentes de soporte a traves de los canales subyacentes, las aberturas deben dominar sobre los puentes, tal como se ve a lo largo de los canales. Preferentemente, la dimension de cualquiera de dichos puentes, tal como se ve en una direccion a lo largo de los canales, no supera la anchura del canal.

Cuando se utiliza en una celda electrolftica, un lado frontal de la placa de cubierta que se aleja de la placa de canales esta en contacto con el medio de distribucion de fluido en el lado anodico de la celda electrolftica. El medio de distribucion de fluido esta intercalado entre la placa de flujo y el MEA. El fluido suministrado a la placa de flujo a traves de la entrada de alimentacion entra en los canales de alimentacion a traves del colector de alimentacion en el extremo de mas arriba; el fluido fluye a traves del canal de alimentacion en la placa de canales en una direccion lateral sobre la placa de flujo; el fluido es inyectado en una direccion vertical, a traves de la abertura de alimentacion correspondiente en la placa de la cubierta, en el medio de distribucion de fluido; la inyeccion se produce de forma distribuida a lo largo de la longitud del canal de alimentacion; el fluido pasa en un flujo laminar lateral a traves del medio de distribucion de fluido poroso para entrar en contacto con el anodo, el catalizador y el electrolito, donde se somete a un proceso electrolftico; los productos de reaccion y el exceso de fluido se recogen del medio de distribucion de fluido en una direccion vertical a traves de una o mas aberturas de drenaje contiguas a ambos lados de la abertura de alimentacion en la placa de cubierta, para entrar en los canales de drenaje subyacentes, desde los que el exceso de fluido que arrastran los productos de reaccion es drenado a traves del colector de drenaje y del orificio de drenaje. De este modo, el campo de flujo interdigitalizado genera un dibujo de flujos laminares forzados a lo largo de la superficie del MEA, en el que los flujos de laminas contiguas tienen direcciones opuestas. Con ello, se consigue una alimentacion abundante y una distribucion mejorada del reactante a la zona activa para la electrolisis con una eliminacion adecuada de los productos de la reaccion lateral del anodo y del exceso de calor.

La placa de flujo de la presente invencion es particularmente adecuada para proporcionar un dibujo de flujo interdigitalizado identico. La anchura (y la profundidad) de los canales en la placa de canales se puede adaptar teniendo en cuenta solo las necesidades de la alimentacion y del flujo de drenaje de un volumen grosero. Ademas de ello, es posible adaptar la anchura de las aberturas de la alimentacion y del drenaje en la placa de cubierta independientemente de la anchura y/o la profundidad de los canales de alimentacion y de drenaje subyacentes. Por

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

ello, es posible adaptar facilmente el diseno de la placa de flujo para optimizar la distribucion fina local en un flujo laminar controlado a lo largo de la superficie del MEA. Mediante la variacion del diseno de la placa de flujo, se puede ajustar tanto la inyeccion de fluido reactante desde el canal de alimentacion al medio de distribucion de fluido poroso como la posterior recogida del fluido y los productos de la reaccion arrastrados desde el medio poroso hacia los canales de drenaje.

De acuerdo, asimismo, con una realizacion de la placa de flujo, la anchura de las aberturas en la placa de cubierta es menor que la anchura de los canales subyacentes en la placa de canales. En el contexto de esta solicitud, la anchura de los canales se refiere a la dimension transversal tomada a traves del canal, es decir, en una direccion lateral perpendicular a la direccion de los canales. De acuerdo con ello, la anchura de una abertura correspondiente en la placa de cubierta se refiere a la dimension transversal de la abertura en la placa de cubierta que pasa a traves del canal. Proporcionando aberturas que son mas estrechas que los canales subyacentes, las paredes laterales de los canales en las paredes de canal estan rebajadas con respecto a las aberturas de la placa de cubierta. Ademas de las ventajas mencionadas anteriormente de dicha geometna de canal / abertura, esto tiene la ventaja de que se obtiene un perfil de canal ancho, el cual esta adaptado para soportar un mayor caudal de fluido y reduce la resistencia de los canales al flujo. En funcionamiento, se reduce por ello la cafda de presion a lo largo de los canales, lo que da lugar a una mayor uniformidad de la distribucion del fluido sobre la superficie del MEA. Al mismo tiempo, manteniendo las aberturas estrechas, se mantiene un buen soporte mecanico del MEA. Esto permite el funcionamiento de la celda electrolftica a presiones diferenciales en las que la presion del lado del catodo es mayor que la presion del lado del anodo, sin que el MEA se hunda en los canales. Este es particularmente relevante para un electrolizador de agua a alta presion configurado para producir directamente hidrogeno en el lado del catodo a presiones por encima de 10 bar, preferentemente por encima de 50 bar, o incluso por encima de 100 bar, mientras se mantiene el lado del anodo a presiones inferiores a 10 bar, tipicamente aproximadamente 5 bar.

De acuerdo, asimismo, con una realizacion de la placa de flujo, la anchura de las aberturas en la placa de cubierta es menor de 0,5 mm, o entre 0,1 mm y 0,5 mm o aproximadamente 0,3 mm. Una anchura de abertura inferior a 0,5 mm, preferentemente de aproximadamente 0,3 mm, esta adaptada en una celda electrolftica para proporcionar un buen soporte mecanico para un MEA y el medio de distribucion de fluido intermedio, en particular tambien cuando se hace funcionar la celda electrolftica a las grandes presiones diferenciales mencionadas anteriormente, a traves del MEA entre el lado del catodo y el lado del anodo.

De acuerdo, asimismo, con una realizacion de la placa de flujo, la placa de cubierta tiene un espesor de por lo menos 0,2 mm, o entre 0,2 mm y 3 mm, alternativamente entre 0,3 mm y 2 mm, alternativamente entre 0,5 mm y 1 mm, o aproximadamente 0,7 mm. La placa de flujo forma parte de una celda electrolftica, en la que una serie de dichas celdas estan ensambladas habitualmente en una disposicion de apilamiento vertical, tal como se describe con mas detalle a continuacion. El espesor elegido para la placa de cubierta es tipicamente un compromiso entre el coste de los materiales por un lado (cuando mas delgada, mejor), y la separacion del material de la placa de canales de la estabilidad potencial y/o mecanica del anodo, para proporcionar un soporte suficiente al MEA bajo una carga de presion diferencial por otro lado (cuando mas gruesa, mejor). El espesor de la placa de cubierta se debe elegir lo suficiente grueso para suprimir los ataques corrosivos en el fondo del canal y las paredes laterales, separando las superficies del canal interior del potencial anodico en una distancia minima de conexion de fluido entre el anodo del mEa y las superficies de la placa de canales expuestas al fluido. Ademas, para un diseno determinado de celda electrolftica, el espesor elegido para la placa de cubierta tiene que ser suficiente para adecuar el soporte mecanico del medio de distribucion de fluido y el MEA a presiones diferenciales de funcionamiento, en particular cuando las paredes laterales del canal subyacente estan rebajadas con respecto a la abertura.

De acuerdo, asimismo, con una realizacion de la placa de flujo, la placa de cubierta esta realizada de acero inoxidable, titanio o una aleacion de titanio. El acero inoxidable tiene la ventaja de que es mas barato que los otros materiales, pero mostrando una resistencia a la corrosion util. El titanio y las aleaciones de titanio son mas caras que el acero inoxidable, pero presentan una mayor resistencia a la corrosion que el acero inoxidable. Ejemplos de dichos materiales de placa de cubierta incluyen acero inoxidable AISI 316 y titanio de grado 2, que se ha encontrado que resisten el entorno corrosivo en el lado anodico de un electrolizador de agua basado en PEM que comprende placas de flujo de acuerdo con una realizacion de la invencion.

De acuerdo, asimismo, con una realizacion de la placa de flujo, los canales en la cara delantera tienen una profundidad de entre 0,3 mm y 1 mm, o de aproximadamente 0,5 mm. La profundidad del canal se mide como la distancia del fondo del canal, tal como definen las partes bajas, al plano superior, tal como definen las partes elevadas de la placa de canales.

De acuerdo, asimismo, con una realizacion de la placa de flujo, el canal tiene en la parte superior plana, una anchura de entre 0,3 mm y 3 mm, preferentemente de aproximadamente 1 mm. Los canales pueden, por ejemplo, tener un perfil de seccion transversal rectangular, trapezoidal, en forma de U o en forma de V. Un perfil de canal de cara abierta con paredes laterales inclinadas por lo menos ligeramente hacia fuera tiene la ventaja de una mas facil extraccion del molde. Un area de seccion transversal tfpica del canal puede estar en el intervalo entre 0,1 mm2 y 1 mm2 o, por ejemplo, aproximadamente 0,5 mm2. Habitualmente, se prefiere una relacion de aspecto plana, en la que la anchura del canal es mayor que la profundidad del canal.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

De acuerdo, asimismo, con una realizacion preferente, la placa de flujo es una placa separadora bipolar para su uso en un electrolizador de celdas apiladas, en el que la placa de cubierta y la cara frontal de la placa de canales son el colector de corriente anodica, y la cara posterior de la placa de canales es el colector de corriente catodica. La placa separadora bipolar es para su uso en una configuracion de electrolizador apilado verticalmente para conectar electricamente celdas electroltticas contiguas en serie entre sf, mientras se separa el manejo del fluido del lado del catodo y el manejo del fluido del lado del anodo de las celdas electrolfticas contiguas, uno de otro. Cada placa separadora bipolar tiene un dibujo del campo de flujo del lado del anodo de los canales en la cara frontal, cubierta con una placa de cubierta tal como se ha descrito anteriormente, y un dibujo del campo de flujo del lado del catodo de los canales en la cara posterior.

Los campos de flujo en los lados del anodo de las celdas apiladas se suministran en paralelo con el fluido reactante a traves de los respectivos orificios de alimentacion del anodo en cada placa separadora bipolar. El exceso de fluido que arrastra los productos de la reaccion anodica y el exceso de calor se drenan en paralelo a traves de los respectivos orificios de drenaje del anodo. Los campos d eflujo en los lados del catodo de las celdas apiladas recogen el exceso de fluido que arrastra los productos de la reaccion en el lado del catodo a traves de un orificio de recogida del lado del catodo. Cuando funciona como electrolizador de agua, el fluido reactante es habitualmente agua desionizada purificada con una conductividad por debajo de 20 jS/cm, preferentemente por debajo de 15 |jS/cm, mas preferentemente por debajo de 10 jS/cm, mas preferentemente en el intervalo entre 1 y 5 jS/cm, o habitualmente entre 1 y 3 jS/cm. El producto de la reaccion lateral del anodo es oxfgeno y el producto de la reaccion lateral del catodo es hidrogeno.

Por lo tanto, la placa separadora bipolar es una placa de material compuesto que comprende tanto una placa de canales como una placa de cubierta dispuesta encima del campo de flujo lateral del anodo, tal como se ha descrito anteriormente. El espesor total de la placa separadora bipolar es la suma del espesor de la placa de canales y del espesor de la placa de cubierta del lado anodico. El espesor de la placa de canales es un compromiso con respecto a los criterios de resistencia en serie de las celdas / pila, peso y volumen de las celdas / pila, por un lado (cuanto mas delgada, mejor), frente a estabilidad mecanica con respecto a las presiones diferenciales que actuan verticalmente a traves de la placa bipolar, por otro lado (cuanto mas gruesa, mejor). Ademas, la placa de canales tiene que tener un espesor mmimo que permita proporcionar profundidades de canal adecuadas tanto en los campos de flujo laterales del anodo como del catodo. Un valor tfpico para el espesor de una placa de canales puede ser aproximadamente 5 mm.

De acuerdo, asimismo, con una realizacion de la placa separadora bipolar, la cara posterior de la placa de canales esta provista de un dibujo de campo de flujo de canales de cara abierta definidos por partes bajas alternadas con partes elevadas. Este campo de flujo lateral de catodo es para recoger hidrogeno y agua desde el lado del catodo del MEA. Puesto que no existen problemas concretos de corrosion para el lado del catodo, el campo de flujo lateral del catodo puede estar formado directamente en el lado posterior de la placa de canales sin que sean necesarias mas medidas particulares de proteccion contra la corrosion. Los canales en la cara frontal y en la cara posterior pueden estar conformados en la misma etapa, por ejemplo, tal como se ha mencionado anteriormente, mediante moldeo por compresion de un material compuesto a base de carbono / grafito.

De acuerdo, asimismo, con una realizacion de la placa de flujo, el, por lo menos, un colector de alimentacion y el, por lo menos, un colector de drenaje, estan dispuestos en partes opuestas de la periferia de la placa de canales, y la distancia lateral entre canales de alimentacion y de drenaje contiguos en el campo de flujo interdigitalizado en la cara frontal de la placa de canales es menor en una parte central en comparacion con una parte periferica de la placa de canales. Por ello, la densidad de canal del dibujo del campo de flujo interdigitalizado en la cara frontal de la placa de canales es mayor en una parte central en comparacion con una parte periferica de la placa de canales.

Tal como se ha mencionado anteriormente, en una disposicion interdigitalizada de canales de alimentacion y de drenaje en comunicacion de fluido con un medio de distribucion de fluido, un transporte de fluido forzado es impulsado desde el canal de alimentacion mediante un flujo laminar a traves del medio de distribucion de fluido hasta el canal de drenaje. El fluido se inyecta a traves de aberturas de alimentacion de una manera distribuida a lo largo de la longitud del canal de alimentacion. Debido a los efectos hidrodinamicos, la inyeccion y, por tanto, el caudal a traves del medio de distribucion de fluido, vanan a lo largo de la longitud del canal de alimentacion. Por ejemplo, en un flujo forzado laminar entre canales paralelos y rectos conectados a traves de un medio poroso, habitualmente se observa un mmimo del caudal a lo largo de los canales, a medio camino entre el inicio y el final de la inyeccion. Curvando los canales de alimentacion y/o de drenaje para variar la distancia entre los canales de manera que esten mas proximos entre sf en una seccion media en comparacion con los extremos, este efecto se contrarresta, mejorando de este modo la uniformidad del flujo laminar generado.

De acuerdo con un aspecto mas amplio de la invencion, esta disposicion lateral del dibujo de campo de flujo interdigitalizado es tambien ventajosa, en general, donde se desea una distribucion uniforme del flujo laminar forzado, por ejemplo, en placas de flujo para uso en celdas de combustible o electrolizadores en los que la placa de canales esta en contacto directamente con un medio de distribucion de fluido sin la intermediacion de una placa de cubierta.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

De este modo, en un campo de flujo interdigitalizado de canales de alimentacion y de drenaje, en el que los canales de alimentacion y de drenaje se comunican entre sf a traves de un medio poroso y/o un flujo laminar confinado de una manera distribuida a lo largo de la longitud de los canales de alimentacion y de drenaje, la distancia entre la alimentacion y los canales de alimentacion y de drenaje contiguos vana a lo largo de la longitud de estos canales de alimentacion y de drenaje. Por lo tanto, los efectos hidrodinamicos que conducen a una distribucion desigual de la velocidad del flujo en el flujo laminar a traves del medio poroso a lo largo de la direccion de los canales de alimentacion y de flujo, se pueden contrarrestar, y se logra una mayor uniformidad en la distribucion de la velocidad del flujo en el flujo a traves del material poroso.

Ventajosamente, cuando el medio poroso (o flujo laminar) tiene una resistencia de flujo uniformemente distribuida, la compensacion de los efectos hidrodinamicos se consigue variando la distancia entre los canales de alimentacion y de drenaje tal como se indica a continuacion. Preferentemente, en la presente realizacion, la distancia es un mmimo a medio camino entre los extremos de los canales de alimentacion y de drenaje, es decir, la distancia entre los canales de alimentacion y de drenaje aumenta gradualmente desde el centro en ambas direcciones a lo largo de los canales de alimentacion y de drenaje hacia los extremos de los canales de alimentacion y de drenaje.

De acuerdo, asimismo, con una realizacion, la placa de flujo es generalmente circular, tal como se ve en una direccion vertical. La forma circular tiene ventajas de estabilidad mecanica cuando se utiliza la placa de flujo en un electrolizador de celdas apiladas que funciona a altas presiones.

Ventajosamente, de acuerdo con una realizacion adicional de la placa de flujo con una geometna circular, se proporcionan una serie de canales de alimentacion y de drenaje interdigitalizados. Los canales perifericos de alimentacion y de drenaje estan conectados, cada uno, a colectores de alimentacion y de drenaje respectivos dispuestos opuestos entre sf en cada mitad de la periferia de la placa de flujo. Siguiendo los canales desde el extremo en el que estan conectados al colector, los canales se extienden radialmente hacia dentro, hacia el centro, pero se curvan para doblarse de nuevo de manera que el canal termina apuntando radialmente hacia fuera, donde los canales se curvan cada vez mas a medida que su distancia desde el centro del cftculo aumenta. Los canales de alimentacion y de drenaje contiguos estan, por lo tanto, mas proximos entre sf en una seccion media que en cada extremo.

A continuacion, en la presente memoria, se describen una celda electrolftica y un electrolizador de celdas apiladas, que comprende placas de flujo de acuerdo con cualquiera de las realizaciones mencionadas anteriormente. Por consiguiente, se consiguen las mismas ventajas para estos dispositivos que las descritas anteriormente con respecto a las diferentes realizaciones de la placa de flujo.

De acuerdo con un aspecto adicional de la invencion, se proporciona una celda electrolftica para la produccion de hidrogeno a partir de agua mediante electrolisis. La celda electrolftica comprende un conjunto plano de electrodos de membrana (MEA), con una membrana de electrolito polimerico (PEM) intercalada entre un anodo y un catodo; en el lado del anodo: un medio de distribucion del fluido del lado del anodo en contacto con el anodo y un colector de la corriente anodica en contacto con el medio de distribucion del fluido del lado del anodo; y, en el lado del catodo: un medio de distribucion del fluido del lado del catodo en contacto con el catodo, y un colector de la corriente catodica en contacto con el medio de distribucion del fluido del lado del catodo; en el que el colector de corriente anodica es una placa de flujo de acuerdo con cualquiera de las realizaciones mencionadas anteriormente.

Ademas, de acuerdo con una realizacion de la celda electrolftica, el colector de corriente anodica y el colector de corriente catodica estan en placas separadoras bipolares respectivas de acuerdo con cualquiera de las realizaciones mencionadas anteriormente.

De acuerdo con otro aspecto de la invencion, se proporciona un electrolizador de celdas apiladas para la produccion de hidrogeno a partir del agua mediante electrolisis. El electrolizador de celdas apiladas esta forma como un apilamiento de las celdas electrolfticas mencionadas anteriormente.

Breve descripcion de los dibujos

A continuacion, se describen realizaciones detalladas de la invencion con referencia a los dibujos adjuntos. Los dibujos muestran en

la figura 1, esquematicamente, un detalle en seccion transversal de una celda electrolftica que comprende una placa de flujo de acuerdo con una realizacion de la invencion,

la figura 2, una vista desde arriba de una placa de canales con una disposicion del dibujo de campo de flujo interdigitalizado de acuerdo con otra realizacion de la invencion,

la figura 3, una vista desde abajo de una placa separadora bipolar de acuerdo con una realizacion adicional de la invencion,

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

la figura 4, esquematicamente, un detalle en seccion transversal de un electrolizador de celdas apiladas con una ilustracion del flujo de fluido interdigitalizado del lado del anodo,

la figura 5, esquematicamente, un sistema modelo utilizado para simulaciones CFD del flujo interdigitalizado,

la figura 6, un grafico que muestra una distribucion de la velocidad del flujo laminar a lo largo del eje x

obtenido a partir de una simulacion CFD del sistema modelo de la figura 5,

la figura 7, una vista desde arriba de una placa de canales con una disposicion del dibujo del campo de flujo interdigitalizado de acuerdo con otra realizacion de la invencion,

la figura 8, un detalle en seccion transversal de la placa de canales a lo largo de la lmea A - A de la figura 7,

la figura 9, una vista desde arriba de una placa de cubierta con una disposicion del dibujo del campo de flujo

interdigitalizado correspondiente a la placa de canales de la figura 7,

la figura 10, un detalle en seccion transversal de la placa de cubierta a lo largo de la lmea B - B de la figura 9,

Descripcion detallada de realizaciones

La figura 1 muestra esquematicamente un detalle en seccion transversal a traves de una celda electrolftica basada en una membrana de electrolito polimerico (PEM) que comprende una placa de flujo 1 de material compuesto con una placa de canales 2, realizada, por ejemplo, de un material compuesto de carbono / grafito, conductor, y una placa de cubierta 3, realizada, por ejemplo, de titanio, en el que la placa de cubierta 3 esta dispuesta en la parte superior y en buen contacto electrico con la placa de canales 2. La placa de canales 2 tiene en la cara frontal unas partes bajas 21 intercaladas entre partes elevadas 23. Las partes bajas 21 definen canales 20 de cara abierta con un fondo (las partes bajas 21) y paredes laterales 22, que se extienden desde el fondo 21 hasta las partes elevadas 23. Las partes elevadas 23 estan en un plano comun y definen un plano superior de la placa de canales 2. Los canales 20 estan abiertas en el plano superior. La placa de cubierta 3 comprende aberturas 40 intercaladas entre partes cerradas 41. Las aberturas 40 estan alineadas con los canales 20 subyacentes, siendo las aberturas 40 mas estrechas que los canales 20, de tal manera que las paredes laterales 22 del canal 20 estan rebajadas con respecto a la abertura 40 correspondiente. En la superficie opuesta a la placa de canales 2, la placa de cubierta esta en contacto mecanico y electrico con un medio de distribucion de fluido 4 del lado del anodo realizado de un material poroso, conductor y resistente a la corrosion, tal como el fieltro de titanio. El medio de distribucion de fluido 4 esta en contacto mecanico y electrico con el anodo 5 de un conjunto de electrodo de membrana (MEA), en el que el MEA comprende un PEM 6 intercalado entre el anodo 5 y un catodo 7. El catodo 7 esta en contacto con un medio de distribucion de fluido 8 del lado del catodo, conductor, tal como un fieltro de carbono que, a su vez, esta en contacto con una placa de catodo 9. En funcionamiento, se hace pasar una corriente en una direccion vertical a traves de la celda electrolftica, donde la placa de flujo 1 actua como colector de la corriente anodica y la placa de catodo 9 actua como colector de la corriente catodica. Los canales 20 estan disenados con un area de seccion transversal adecuada para la distribucion grosera de agua reactante sobre la zona lateral del anodo de la celda electrolftica a traves de un dibujo de campo de flujo definido en la placa de canales 2. El medio de distribucion de fluido 4 esta en comunicacion de fluidos con los canales 20 a traves de las aberturas 20, y maneja la distribucion fina del agua reactante sobre la superficie del anodo 5 del MEA. La reaccion de electrolisis que tiene lugar en el anodo genera oxfgeno naciente y da como resultado un entorno altamente corrosivo para materiales a base de carbono, tales como los materiales compuestos de carbono / grafito, moldeables por compresion utilizados para fabricar las placas de canales. La placa de cubierta 3 esta realizada de un material que es resistente a la corrosion en un ambiente anodico de electrolisis de agua, tal como el titanio, y esta disenada para proteger de la corrosion a la placa de canales 2 subyacente. Las partes cerradas 41 de la placa de cubierta 3 cubren, por lo menos, las partes elevadas 23 de la placa de canales 2, mientras que las aberturas 40 estan alineadas con los canales 20. De este modo, de la placa de canales 2 solamente las superficies interiores 21, 22 de los canales 20 estan expuestas a los fluidos laterales del anodo potencialmente corrosivos. No obstante, para evitar la corrosion de dichas superficies, es suficiente que el espesor de la placa de cubierta 2 y la profundidad de los canales 20 con un area de seccion transversal adecuada se elija de tal manera que el distanciador entre el anodo 5 y las superficies interiores 21, 22 de los canales 20 supere una longitud minima. En condiciones de funcionamiento habituales para producir hidrogeno por electrolisis del agua en una celda electrolftica basada en PEM, las diferencias de potencial aplicadas entre el colector de corriente catodica 9 y el colector de corriente anodica 1 estan tfpicamente entre 1,4 V y 2,0 V. Bajo estas condiciones, se ha comprobado sorprendentemente que una distancia minima r superior a 1 mm, o tfpicamente de aproximadamente 1,5 mm, es suficiente para suprimir eficazmente la corrosion del material de la placa de canales 2. Como ejemplo de parametros geometricos que han tenido exito, el medio de distribucion de fluido del lado del anodo tiene habitualmente un espesor de aproximadamente 0,3 mm, la placa de cubierta 2 tiene un espesor de aproximadamente 0,7 mm y la profundidad del canal 20 es de aproximadamente 0,5 mm, es decir, la distancia total r entre el anodo 5 y el fondo del canal 21 es de aproximadamente 1,5 mm. En este ejemplo, la anchura de la abertura 40 es de aproximadamente 0,3 mm, y la anchura del canal 20 es de aproximadamente 1 mm, estando las aberturas 40 alineadas centralmente con respecto a los canales 20, dando como resultado un rebaje de las paredes laterales 22 con respecto a la abertura 40 de aproximadamente 0,3 a 0,4 mm.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

La figura 2 muestra una vista desde arriba de la cara frontal de una placa de canales circular 202 con un dibujo 200 de campo de flujo que tiene una disposicion interdigitalizada de canales de alimentacion rectos 210 que se alterna con canales de drenaje rectos 220, de tal manera que los canales de alimentacion y de drenaje 210, 220 contiguos estan dispuestos paralelos entre sf a traves de la superficie de la placa de canales 202. Un extremo de mas arriba de los canales de alimentacion 210 esta conectado a traves de un colector de alimentacion 214 a un orificio de alimentacion 215. Por consiguiente, un extremo de mas abajo de los conductos de drenaje 220 esta conectado a traves de un colector de drenaje 224 a un orificio de drenaje 225. Los colectores de alimentacion y de drenaje 214, 224 estan dispuestos en la periferia de la placa de canales 202 y estan dispuestos diametralmente opuestos uno al otro. Los orificios de alimentacion y de drenaje 215, 225 estan dispuestos en una parte de reborde de la placa de canales que rodea el dibujo del campo de flujo 200 y los colectores 214, 224. Los canales de alimentacion y de drenaje 210, 220 se extienden desde sus colectores respectivos 214, 224 a traves de la placa de canales 202 hacia el colector opuesto 224, 214 y terminan en la placa de canales siguiente a los colectores opuestos 224, 214. Los canales de alimentacion y de drenaje 210, 220 no estan conectados entre sf, sino que solo pueden comunicarse a traves de la cara abierta sobre las partes elevadas 223 entre los canales 210, 220. El flujo interdigitalizado forzado resultante se describe con mas detalle a continuacion, con respecto a la figura 4.

La figura 3 muestra una vista del lado del catodo de una placa separadora bipolar con un campo de flujo de recogida de hidrogeno 250. Los canales de recogida de hidrogeno 251, 252 estan dispuestos en una configuracion entrecruzada y estan conectados a un orificio de recogida de hidrogeno 253 a traves de un colector periferico. El dibujo entrecruzado es una disposicion adecuada de canales de recogida, pero tambien pueden concebirse otras disposiciones. El campo de flujo es para contactar un medio de distribucion de fluido en el lado del catodo de una celda electrolftica como colector de corriente catodica. Los canales 251, 252 recogen el hidrogeno producido en el catodo del MEA desde el medio de distribucion de fluido, y dirigen el hidrogeno al orificio de recogida 253 a traves del cual se expulsa para su almacenamiento o uso externo. Tal como se indica en la figura 3, el campo de flujo lateral del catodo 250 puede estar dispuesto sobre la cara posterior de una placa de canales 202, en la que la cara frontal de la placa de canales 202 contiene un campo 200 de flujo lateral del anodo, tal como el mostrado en la figura 2 (o la figura 7). El orificio de recogida de hidrogeno 253 esta dispuesto en una parte de reborde que tambien lleva los orificios de alimentacion y de drenaje 215, 225.

La figura 4 muestra esquematicamente una disposicion apilada de celdas electrolfticas, en la que cada celda comprende un MEA intercalado entre un medio de distribucion de fluido 4 lateral anodico y un medio de distribucion de fluido lateral 8 catodico. Las celdas apiladas estan conectadas electricamente en serie a traves de las placas separadoras 1 bipolares que actuan por un lado como colector de corriente catodica para una celda y en el lado opuesto actuan como colector de corriente anodica para la celda posterior. Al mismo tiempo, las placas separadoras 1 bipolares son placas de flujo con un campo de flujo lateral de catodo y un campo de flujo lateral de anodo.

Los campos de flujo de las celdas estan separados unos de otros por las placas separadoras 1 bipolares. Los campos de flujo estan conectados fuera de las celdas a traves de colectores de pila para transportar la alimentacion de agua reactante, expulsar el fluido del lado del anodo y los productos de la reaccion (agua y oxfgeno), y expulsar el fluido lateral del catodo y productos de la reaccion (agua e hidrogeno). Los colectores de pila estan formados ventajosamente en una parte de reborde de las placas bipolares 1. Por ejemplo, en la realizacion de las figuras 2 y 3, se pueden formar colectores de alimentacion de pilas, de drenaje de pilas y de recogida de pilas, acoplando orificios de alimentacion, drenaje y recogida 215, 225, 253 conjuntamente con los respectivos orificios de alimentacion, drenaje y recogida de las placas separadoras bipolares subsiguientes del apilamiento.

En el detalle en seccion transversal de la realizacion mostrada en la figura 4, el campo de flujo lateral del catodo tiene canales de recogida 50 que estan dispuestos para recoger el hidrogeno producido en el catodo del MEA y el exceso de agua que se produce en el lado del catodo de la celda desde el medio de distribucion de fluido 8 del lado del catodo y expulsar el hidrogeno y el agua a traves de un orificio de recogida.

El campo de flujo lateral del anodo tiene canales de alimentacion 10 y canales de drenaje 20 que estan dispuestos en el e interdigitalizados, tal como el esquema descrito anteriormente con respecto a la figura 2. Los canales de alimentacion y de drenaje 10, 20 estan formados en la cara frontal de una placa de canales 2 y se comunican con el medio de distribucion de fluido 4 del lado del anodo a traves de aberturas de alimentacion respectivas 30 y aberturas de drenaje 40 proporcionadas en una placa de cubierta 3, tal como el diseno descrito anteriormente con respecto a la figura 1.

La disposicion interdigitalizada de los canales de alimentacion y de drenaje da como resultado un flujo forzado a traves del medio de distribucion de fluido 4 del lado del anodo, tal como se indica por las flechas pequenas en la figura 4. El agua reactante se suministra a cada una de las celdas electrolfticas desde un colector de alimentacion de pila comun a traves de un orificio de alimentacion de celdas (no mostrado en la figura 4); el agua reactante entra en los canales de alimentacion 10 a traves del colector de alimentacion de celdas en el extremo de corriente ascendente; el agua reactante entra a traves del canal de alimentacion 10 en una direccion lateral sobre la placa de canales 2; a partir de ahft, el agua reactante se inyecta en una direccion vertical a traves de la correspondiente abertura de alimentacion 30 en la placa de cubierta 3 en el medio de distribucion de fluido 4; la inyeccion se produce de manera distribuida a lo largo de la longitud del canal de alimentacion 10; el flujo inyectado se divide en dos flujos

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

laminares laterales a traves del medio de distribucion de fluido 4 poroso hacia las aberturas de drenaje 40 contiguas a cada lado de la abertura de alimentacion 30; el flujo laminar de agua reactante entra en contacto con el anodo, el catalizador y el electrolito del MEA, donde se somete a un proceso electrolftico; cada una de las aberturas de drenaje 40 recoge los productos de la reaccion (oxfgeno) y el exceso de agua de dos flujos laminares que se originan desde las aberturas de alimentacion 30 a cada lado de la abertura de drenaje 40; el oxfgeno y el exceso de agua dejan el medio de distribucion de fluido 4 en una direccion vertical a traves de una o mas aberturas de drenaje contiguas a cada lado de la abertura de alimentacion en la placa de cubierta para entrar en los canales de drenaje subyacentes, drenado por el colector de drenaje y el orificio de drenaje. De este modo, el campo de flujo interdigitalizado genera un dibujo de flujos laminares forzados a lo largo de la superficie del MEA, en el que los flujos laminares contiguos tienen direcciones opuestas. De este modo, se consigue una alimentacion y una distribucion mejoradas del agua reactante a la zona activa para la electrolisis con una eliminacion adecuada de los productos de reaccion lateral del anodo y el exceso de calor.

La figura 5 muestra un sistema modelo 500 que se utilizo para realizar una simulacion CFD del flujo laminar forzado. El sistema modelo 500 comprende un primer canal 510 y un segundo canal 520 dispuestos a una distancia, paralelo entre sf a lo largo de una direccion de coordenadas x. En un extremo de mas arriba, el primer canal 510 esta conectado a una fuente de agua. En un extremo de mas abajo, el primer canal 510 termina. En un extremo de la corriente ascendente, el segundo canal 520 termina. En un extremo de mas abajo, el segundo canal 520 esta conectado a un sumidero de agua. Los dos canales 510, 520 estan en comunicacion de fluidos entre sf solo a traves de una capa confinada de un medio poroso 504 dispuesta en la parte superior de los canales 510, 520. Las simulaciones se realizaron utilizando parametros geometricos tfpicos para una celda electrolttica del tipo mencionado anteriormente. El agua que se origina en el primer canal 510 se inyecta verticalmente sobre toda la anchura del primer canal 510 en la capa porosa 504. El agua pasa en una direccion perpendicular al eje x, es decir, en una direccion de coordenadas y, a traves del medio poroso hacia el segundo canal 520, donde el agua es recogida y posteriormente transportada al sumidero. La simulacion CFD ilustra que la magnitud de la velocidad del flujo laminar Vs en la direccion y vana en funcion de la coordenada x. La figura 6 muestra un grafico con el resultado de una simulacion de CFD realizada utilizando el sistema modelo 500. El grafico representa la magnitud de la velocidad del flujo laminar a traves del medio poroso en una direccion desde el primer canal 510 al segundo canal 520 como una funcion de la coordenada x, Vs (x). Un mmimo pronunciado se obtiene a media distancia entre los dos extremos. De acuerdo con esto, una celda electrolftica, que tiene un dibujo de campo de flujo lateral de anodo interdigitalizado con canales de alimentacion y de drenaje paralelos, puede sufrir una distribucion desigual de suministro de reactante y de la potencia de refrigeracion sobre la superficie del MEA.

Volviendo a las figuras 7 a 10, se muestra una realizacion ventajosa de una placa de flujo que aborda la cuestion de una distribucion de flujo irregular a lo largo de la direccion de los canales de alimentacion y de drenaje, tal como se ilustra mediante la simulacion de CFD descrita anteriormente con respecto a las figuras 5 y 6. Las figuras 7 y 8 muestran una placa de canales 702 con una disposicion de campo de flujo interdigitalizado 700 que comprende canales de alimentacion y de drenaje curvados 710, 720, y las figuras 9 y 10 muestran una placa de cubierta asociada 703 con una disposicion correspondiente de las aberturas de alimentacion y de drenaje 730, 740.

La figura 7 muestra una vista desde arriba de la cara frontal de una placa de canales 702 circular similar a la placa de canales 202 descrita anteriormente con respecto a la figura 2. La placa de canales 702 tiene orificios de alimentacion, de drenaje y de recogida 715, 725, 753 dispuestos en un reborde, en los que el orificio de alimentacion 715 esta conectado a un colector de alimentacion 714 y el orificio de drenaje esta conectado a un colector de drenaje 724. Los colectores de alimentacion y de drenaje estan dispuestos opuestos entre sf en la periferia de un campo de flujo circular 700 con canales de alimentacion y de drenaje 710, 720 interdigitalizados. La placa de canales 702 difiere de la placa de canales 202 de la fig.2 en la disposicion del dibujo de campo de flujo 700, en la que la distancia lateral entre los canales de alimentacion y de drenaje contiguos 710, 720 es mas pequena en una parte central en comparacion con una parte periferica. La distancia entre los canales de alimentacion y de drenaje contiguos 710, 720 es minima en una seccion central de los canales 710, 720, y aumenta en una direccion a lo largo de los canales desde la seccion media hacia cada extremo. Dicha configuracion es particularmente ventajosa en un modelo de campo de flujo de forma circular, pero tambien puede concebirse de acuerdo con otras formas, por ejemplo, poligonal, tal como rectangular, cuadrada o hexagonal. En el campo de flujo circular 700 de la placa de canales 702, los canales de alimentacion y de drenaje 710, 720 estan curvados con una curvatura que aumenta con una distancia creciente de los canales 710, 720 desde el centro de la placa de canales 702. Ventajosamente, los canales apuntan radialmente hacia dentro / hacia afuera en los extremos exteriores, esencialmente perpendiculares a los canales de alimentacion y de drenaje en la periferia circular, en donde los extremos estan conectados por una traza suavemente curvada, tal como una estna, un arco circular o un arco elfptico.

La realizacion de la placa de flujo mostrada en las figuras 7 a 10 es una placa separadora bipolar para su uso en un electrolizador de celdas apiladas. Por lo tanto, la placa de canales 702 esta provista en la cara posterior de un dibujo de campo de flujo lateral de catodo 750 de los canales de recogida 751, 752, que pueden, por ejemplo, estar dispuestos en una configuracion entrecruzada tal como la descrita anteriormente con referencia a la figura 3. Los canales de recogida 751, 752 estan conectados a traves de un colector de recogida periferico conectado a un orificio de recogida 753 dispuesto sobre una parte de reborde de la placa de canales 702. El orificio de recogida 753 esta

5

10

15

20

25

adaptado para utilizar en una configuracion de celdas apiladas analoga a la placa de separacion bipolar de doble funcion para celdas de combustible como se describe en la patente europea EP 1 726 060 B1.

La figura 8 muestra un detalle en seccion transversal de la placa de canales 702 tomada a lo largo de la lmea A - A en la figura 7. En el extremo izquierdo se ve una seccion transversal a traves de la parte de reborde con el orificio de recogida 753. Hacia la derecha, en una cara superior de la placa de canales 702, los canales de alimentacion 710 alternan con los canales de drenaje 720 para formar el modelo interdigitalizado. tal como se ha mencionado anteriormente, en una cara posterior se proporciona un dibujo de campo de flujo lateral de catodo 750 de canales de recogida 751, 752, que esta conectado al orificio de recogida 753.

La figura 9 muestra la placa de cubierta 703 asociada con la placa de canales 702 descrita anteriormente con referencia a las figuras 7 y 8, en la que la placa de cubierta 703 y la placa de canales 702 forman conjuntamente la placa separadora bipolar para su uso en un electrolizador de agua apilado. El dibujo de abertura de las aberturas alternas de alimentacion 730 y las aperturas de drenaje 740 corresponde al dibujo alternante de canales de alimentacion 710 y canales de drenaje 720, respectivamente. Cuando se ensamblan, las aberturas de alimentacion 730 en la placa de cubierta 703 estan alineadas con los canales de alimentacion subyacentes 710 en la cara frontal de la placa de canales 702 y las aberturas de drenaje 740 estan alineadas con los canales de drenaje subyacentes 720. Dentro del penmetro lateral de La celda electrolttica, las partes cerradas de la placa de cubierta 703 cubren y por lo tanto protegen, por lo menos, las partes elevadas de la placa de canales 702 entre y alrededor de los canales 710, 720 asf como los colectores 714, 724. Ventajosamente, tal como se muestra en la figura 9, en el lado del colector de alimentacion 714, las aberturas de alimentacion 730 se extienden ligeramente mas alla de las aberturas de drenaje 740 para sobresalir del colector de alimentacion. Ademas, ventajosamente, en el lado del colector de drenaje 724, las aberturas de drenaje 740 se extienden mas alla de las aberturas de alimentacion 730 para solapar el colector de drenaje 724.

La figura 10 muestra un detalle en seccion transversal de la placa de cubierta 703 tomada a lo largo de la lmea B - B en la figura 9. Las aberturas de alimentacion pasantes 730 se alternan con las aberturas de drenaje pasantes 740, reflejando de este modo el dibujo interdigitalizado de los canales de alimentacion y de drenaje 710, 720 en la placa de canales 702. Las aberturas de alimentacion y de drenaje contiguas 730, 740 estan separadas entre sf por partes cerradas 741.

Claims

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

REIVINDICACIONES

1. Placa de flujo para su uso como colector de corriente anodica en una celda electrolftica para la produccion de hidrogeno a partir de agua, comprendiendo la placa de flujo

- una placa de canales, en la que una cara frontal de la placa de canales esta provista de un dibujo de campo de flujo de canales cara abierta definidos por partes bajas que alternan con partes elevadas, y

- una placa de cubierta realizada de un material que es resistente a la corrosion en un ambiente anodico de electrolisis del agua, en la que la placa de cubierta esta dispuesta paralela en la parte superior de la placa de canales y, en la que la placa de cubierta esta provista de un dibujo de aberturas pasantes alternadas con partes cerradas, en la que el dibujo de aberturas pasantes esta alineado con las partes bajas, y en el que las partes cerradas cubren, por lo menos, las partes elevadas de la placa de canales.
2. Placa de flujo de acuerdo con la reivindicacion 1, en la que el dibujo de campo de flujo en la placa de canales es un sistema de canales de alimentacion y de drenaje interdigitalizados,

en el que cada uno de los canales de alimentacion tiene un extremo de mas arriba que esta conectado, por lo menos, a un orificio de alimentacion a traves de, por lo menos, un colector de alimentacion, y tiene un extremo de mas abajo que termina en la placa de canales,

en el que cada uno de los canales de drenaje tiene un extremo de mas arriba que termina en la placa de canales y un extremo de mas abajo que esta conectado, por lo menos, a un orificio de drenaje a traves de, por lo menos, un colector de drenaje, y

en el que las aberturas de la placa de cubierta estan dispuestas en forma de un dibujo interdigitalizado de aberturas de alimentacion y de drenaje correspondientes a los dibujos interdigitalizados de los canales de alimentacion y de drenaje.
3. Placa de flujo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la anchura de las aberturas en la placa de cubierta es menor que la anchura de los canales subyacentes en la placa de canales.
4. Placa de flujo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la anchura de las perforaciones en la placa de cubierta es menor de 0,5 mm, o esta entre 0,1 mm y 0,5 mm.
5. Placa de flujo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la placa de cubierta tiene un espesor de por lo menos 0,2 mm, o entre 0,2 mm y 3 mm, alternativamente entre 0,3 mm y 1,5 mm, alternativamente entre 0,5 mm y 1 mm.
6. Placa de flujo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la placa de cubierta esta realizada de acero inoxidable, titanio o una aleacion de titanio.
7. Placa de flujo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que los canales en la cara frontal tienen una profundidad comprendida entre 0,3 mm y 1 mm.
8. Placa de flujo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el canal tiene en el plano superior una anchura de entre 0,3 mm y 3 mm.
9. Placa de flujo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la placa de flujo es una placa separadora bipolar para uso en un electrolizador de celdas apiladas, en la que la placa de cubierta y la cara frontal de la placa de canales son el colector de corriente anodica, y una cara posterior de la placa de canales es el colector de corriente catodica.
10. Placa de flujo de acuerdo con la reivindicacion 9, en la que la cara posterior de la placa de canales esta provista de un dibujo de campo de flujo de canales de cara abierta definidos por partes bajas que alternan con partes elevadas.
11. Placa de flujo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 10, en la que, por lo menos, un distribuidor de alimentacion y el, por lo menos, un colector de drenaje estan dispuestos en partes opuestas de la periferia de la placa de canales y, en la que la distancia lateral entre los canales de alimentacion y de drenaje contiguos en el campo de flujo interdigitalizado en la cara frontal de la placa de canales es menor en una parte central en comparacion con una parte periferica de la placa de canales.
12. Placa de flujo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la placa de flujo es generalmente circular vista en una direccion vertical.
13. Placa de flujo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la placa de canales esta realizada de un material compuesto de carbono / grafito.
14. Celda electrolftica para la produccion de hidrogeno a partir de agua mediante electrolisis, comprendiendo la celda electrolftica

- un conjunto de electrodo de membrana (MEA), plano, con una membrana de poftmero electrolftico (PEM) intercalada entre un anodo y un catodo,

5 - en el lado del anodo, un medio de distribucion de fluido del lado del anodo en contacto con el anodo, un

colector de corriente anodica en contacto con el medio de distribucion de fluido del lado del anodo, y

- en el lado del catodo, un medio de distribucion del fluido del lado del catodo en contacto con el catodo, y un colector de corriente catodica en contacto con el medio de distribucion del fluido del lado del catodo, en el que

10 el colector de corriente anodica es una placa de flujo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones

anteriores.
15. Celda electrolftica de acuerdo con la reivindicacion 14, en la que el colector de corriente anodica y el colector de corriente catodica estan en placas separadoras bipolares respectivas de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13.

15 16. Celda electrolftica de acuerdo con la reivindicacion 14 o la reivindicacion 15, en la que una distancia minima r

entre el anodo y las superficies internas de los canales de la placa de canales es mayor de 1 mm.
17. Electrolizador de celdas apiladas para la produccion de hidrogeno a partir de agua mediante electrolisis, en el que el electrolizador se forma como un apilamiento de celdas electrolfticas de acuerdo con la reivindicacion 15 o la reivindicacion 16.

20