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CELDAS COMBUSTIBLES DE ALTO DESEMPEÑO
CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona con celdas combustibles, y más particularmente se relaciona con celdas combustibles de alto desempeño construidas de placas de electrodos que tienen una pluralidad de canales de abiertos formados en al menos una superficie de las mismas. En una modalidad preferida, los canales sirven para aumentar el grado y velocidad de transferencia de calor en la celda combustible, extendiendo de esta manera el rango de operación práctico y la vida útil de la celda. La presente invención se relaciona además con celdas combustible ácidas que emplean (i) un separador absorbente y un electrolito, en el que el separador absorbe y retiene al electrolito, o (ii) un separador no absorbente y un electrolito gelado, en donde el separador retiene al electrolito gelado. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Las celdas combustibles electroquímicas sirven para convertir combustible y oxidante en electricidad y producto de reacción. Una clase particularmente importante de celdas combustibles que promete la generación de electricidad estacionaria y móvil son las celdas combustibles de H2/02 de baja temperatura. Estas celdas combustibles electroquímicas
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de polímero sólido generalmente emplean una membrana de intercambio iónico o electrolito de polímero sólido localizado entre dos electrodos o placas porosas eléctricamente conductoras (es decir, un montaje de membrana/electrodo o MEA, por sus siglas en inglés) . Los electrodos, que típicamente son modificados con un catalizador de metal noble para inducir la reacción electroquímica deseada, se acoplan eléctricamente para proporcionar un circuito para conducir electrones entre los electrodos a través de un circuito externo. En la operación, el combustible (es decir, hidrógeno) se suministra al ánodo y el oxidante (es decir, aire/oxígeno) se suministra al cátodo. El combustible y el oxidante se descomponen electrolíticamente en electrones vía oxidación-reducción o medias reacciones separadas, las cuales se resumen a continuación: Reacción en el ánodo H2 ? 2H+ + 2e~ Reacción en el cátodo 1/2 02 + 2H* + 2e~ ? 2H20 Los protones producidos en el ánodo migran a través de la membrana de intercambio iónico o electrolito de polímero sólido hacia el cátodo, mientras que los electrones viajan desde al ánodo hacia el cátodo vía el circuito externo. En el cátodo, el oxígeno se combina con los protones y electrones para formar agua como el producto de reacción.
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El MEA se coloca típicamente entre placas de flujo de fluido eléctricamente conductoras. Las placas de flujo de fluido, que contienen una pluralidad de pasajes de flujo, dirigen combustible u oxidante a los electrodos respectivos y producto de reacción fuera de la(s) celda (s) . Las placas de flujo de fluido también actúan como colectores de corriente y proporcionan un soporte para los electrodos. Las placas colectoras, que no contienen pasajes de flujo, se usan conjuntamente con placas que tienen tales pasajes de flujo. Se ha observado que las celdas combustibles de H2/02 de baja temperatura experimentan una caída en energía con el tiempo debido en parte al enfriamiento inadecuado y a una pobre distribución interna de gases reactantes, lo cual da lugar a puntos térmicos calientes que a su vez dan lugar a que la celda falle y a otras cuestiones similares. Algunos intentos por mejorar el desempeño de tales celdas combustibles de H2/02 de técnicas anteriores se han dirigido principalmente hacia el mejoramiento del desempeño a alta temperatura de las membranas de intercambio iónico, aumentando el grado de humidificación de la membrana y aumentando la distribución de reactante y refrigerante en las celdas mediante el uso de pasajes complejos de flujo de fluido. Por ejemplo, la patente estadounidense No. 6,303,245 de Nelson describe un elemento o placa de flujo de fluido que tiene una superficie frontal en la cual está formada una 4
primera pluralidad de canales abiertos de flujo de fluido y una segunda pluralidad de canales de hidratación abiertos. El elemento o placa de flujo de fluido se usa conjuntamente con un montaje de electrodo de componentes múltiples y sirve supuestamente para incrementar la distribución uniforme de agua de hidratación en el área activa de la celda, proporciona un enfriamiento más uniforme del área de flujo de fluido, disminuye la carga de enfriamiento del montaje del combustible y proporciona un mayor desempeño de apilamiento. Véase la columna 3, líneas 42 a 55 de la patente estadounidense No. 6,303,245. La complejidad del diseño del canal en el elemento o placa de flujo de fluido descrito en la patente estadounidense No. 6,303,245 aumentará el costo de manufactura de la celda huésped y requerirá controles de apilamiento más complejos. Además, mientras que el diseño de la celda trabajará bajo condiciones de estado estable (carga fija) , no es conveniente para condiciones de carga variable que típicamente se encuentran en aplicaciones de energía de reserva, de suministro de energía de no interrupción (UPS, por sus siglas en inglés) , automotrices y redes eléctricas aisladas . Existe una necesidad por una celda combustible de alta densidad de energía que supere las desventajas asociadas con celdas combustibles de técnicas anteriores.
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Por lo tanto un objeto de la presente invención es proporcionar esa celda combustible. Un objeto más particular de la presente invención es proporcionar una celda combustible de alta densidad de energía más eficiente que tenga un rango extendido de operación práctica y vida útil que no se limite en términos de tamaño o área de plataforma. Otro objeto más particular de la presente invención es proporcionar una placa de electrodo para uso en una celda de combustible que sirve para dirigir y distribuir fluidos refrigerantes aumentando así el grado y velocidad de transferencia de calor en la celda. Otro objeto más particular es proporcionar una placa de electrodo que sirve para dirigir y distribuir fluidos reactantes en la celda. Aún otro objeto más particular de la presente invención es proporcionar placas de electrodos catódicos y ánodicos de alto desempeño para uso en celdas combustibles. BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Por lo tanto la presente invención proporciona una placa de electrodo que tiene superficies opuestas, en donde al menos una superficie tiene una pluralidad de canales abiertos formados en la misma, cada canal con un extremo de entrada y un extremo de salida. La presente invención proporciona adicionalmente una celda combustible que comprende: 6
(a) una placa de electrodo anódico (b) una placa de electrodo catódico; y (c) un electrolito localizado entre las placas de electrodos anódico y catódico, en donde cada placa de electrodo tiene una primera y una segunda superficies opuestas, la primera superficie de cada placa es adyacente al electrolito y la primera y/o segunda superficie de cada placa tiene una pluralidad de canales abiertos formados en la misma, cada canal con un extremo de entrada y un extremo de salida. La presente invención también proporciona un apilamiento de celdas combustibles que comprenden, en combinación cooperativa, una pluralidad de las celdas combustibles descritas anteriormente. También se proporciona por medio de la presente invención una celda combustible ácida que comprende: (a) una placa de electrodo anódico (b) una placa de electrodo catódico; y (c) un electrolito localizado entre las placas de electrodos anódico y catódico, en donde, el electrolito se selecciona del grupo de (i) un separador absorbente y un electrolito que comprende uno o más ácidos, en donde el separador absorbente absorbe y retiene al electrolito, y (ii) un separador no absorbente y un electrolito gelado que comprende uno o más geles ácidos, 7
en donde el separador no absorbente retiene al electrolito gelado . Las anteriores y otras características y ventajas de la presente invención se apreciarán mejor de la siguiente descripción y figuras anexas. BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS Se ilustran características particulares de la invención descrita haciendo referencia a los dibujos anexos en los cuales : La figura 1 es una vista de planta lateral de una modalidad preferida de la placa de electrodo de la presente invención que tiene una pluralidad de canales abiertos formados en una superficie de la misma; la figura 2 es una vista lateral de planta de otra modalidad preferida de la placa de electrodo inventiva en donde una superficie tiene una porción rebajada con un material fibroso compuesto formado en ella y en donde una superficie opuesta tiene una pluralidad de canales abiertos formados en la misma; la figura 3 es un vista inferior fuera de eje de la placa de electrodo de la figura 2 ; la figura 4 es una vista de planta de una modalidad preferida de la placa de electrodo de la presente invención en donde (i) una superficie tiene una pluralidad de canales abiertos formados en la misma, (ii) una superficie opuesta 8
tiene una porción rebajada con una pluralidad de canales abiertos y un material compuesto fibroso en la misma y (iii) los campos de flujo formados por los canales abiertos de una superficie son substancialmente paralelos con los campos de flujo formados por los canales abiertos de la superficie opuesta; la figura 5 es una vista superior fuera de eje de una modalidad más preferida de la placa de electrodo anódico de la presente invención en donde (i) una superficie tiene una pluralidad de canales abiertos formados en la misma, (ii) una superficie opuesta tiene una porción rebajada con una pluralidad de canales abiertos y un material compuesto fibroso formado en la misma, y (iii) los campos de flujo formados por los canales abiertos de una superficie son substancialmente perpendiculares a los campos de flujo formados por los canales abiertos de la superficie opuesta; la figura 6 es una vista superior fuera de eje de una modalidad preferida de la celda combustible de la presente invención en donde (i) cada placa de electrodo tiene una pluralidad de canales abiertos solo en una superficie de la misma, y (ii) los campos de flujo formados por los canales abiertos de una placa de electrodo son substancialmente paralelos a los campos de flujo formados por los canales abiertos de la otra placa de electrodo; la figura 7 es una vista superior fuera de eje de una modalidad más preferida de la celda combustible de la presente invención que emplea un ánodo de doble lado y una placa de electrodo catódico, cada placa de electrodo tiene una superficie con una pluralidad de canales abiertos formados en la misma y una superficie opuesta con una porción rebajada que tiene una pluralidad de canales abiertos y un material fibroso compuesto formado en la misma, en donde (i) los campos de flujo formados por los canales abiertos externos de una placa de electrodo son substancialmente paralelos a los campos de flujo formados por los canales abiertos externos de la otra placa de electrodo, y (ii) los campos de flujo formados por los canales abiertos internos de una placa de electrodo son substancialmente perpendiculares a los campos de flujo formados por los canales abiertos internos de la otra placa de electrodo; la figura 8 es una vista lateral en perspectiva de una modalidad preferida del apilamiento de celdas combustibles electroquímicas de la presente invención que emplea una pluralidad de celdas combustibles de la figura 6; y la figura 9 es una vista lateral en perspectiva de una modalidad más preferida del apilamiento inventivo que emplea una pluralidad de celdas combustibles de la figura 7, y una vista parcial en corte de un sistema de distribución externo usado en cooperación con las mismas.
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DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Las placas de electrodo de la presente invención están configuradas o diseñadas para servir como una placa de electrodo ya sea anódico o catódico y por lo tanto sirven para efectuar y soportar una reacción electrolítica dentro de una celda combustible electroquímica. Las placas de electrodo se contemplan para el uso en una variedad de tipos de celdas combustibles que incluye, pero no se limita a, celdas combustibles de ácido sulfúrico (SAFC, por sus siglas en inglés) , celdas combustibles de membrana de intercambio de protones (celdas combustibles tipo PEM, por sus siglas en inglés) , celdas combustibles de alcohol directo (DAFC, por sus siglas en inglés) , celdas combustibles de ácido fosfórico (PAFC, por sus siglas en inglés) , celdas combustibles alcalinas (AFC, por sus siglas en inglés) y celdas combustibles de metal/aire. Tal como se describirá con más detalle más adelante, las placas de electrodo de la presente invención tienen superficies opuestas, en donde al menos una superficie tiene una pluralidad de canales abiertos formados en la misma, cada canal tiene un extremo de entrada y un extremo de salida. En una modalidad, los canales son canales de refrigerantes que sirven para aumentar las capacidades de transferencia de calor de la celda combustible huésped, extendiendo así el rango de operación práctico y la vida útil 11
de la celda. Las capacidades superiores de transferencia de calor proporcionadas por medio de esta modalidad permiten el aumento en el tamaño o área de las celdas combustible huésped, haciendo que tales celdas sean adecuadas para uso no solo en aplicaciones de transportación, que requieren fuentes de energía ligeras y muy pequeñas, sino también en aplicaciones residenciales, comerciales e industriales, que pueden requerir fuentes de energía más pesadas y más grandes . En otra modalidad, los canales son canales de reactantes que se forman en la superficie de la placa de electrodo adyacente al área activa de la celda. Los canales de reactante sirven para distribuir fluidos reactantes sobre toda el área activa, aumentando así la actividad del catalizador y la salida útil de la celda. Aún en otra modalidad, los canales de refrigerantes se forman en una superficie de la placa de electrodo inventiva mientras que los canales de reactantes se forman en una superficie opuesta. Tal como se ilustra en las figuras 1 a 5, la placa de electrodo de la presente invención, la cual se muestra en general como 10, tiene una primera y una segunda superficies 12, 14. La primera superficie 12 está revestida preferentemente con un catalizador (por ejemplo, platino o platino/rutenio) y puede adoptar o emplear un número de 12
configuraciones superficiales diferentes. Por ejemplo, la primera superficie 12 de placa de electrodo 10 puede adoptar una configuración plana o, como se describe con más detalle más adelante, una configuración acanalada, una configuración rebajada, o una configuración acanalada rebajada. La segunda superficie 14 de la placa de electrodo 10 puede adoptar una configuración plana o puede tener una pluralidad de canales abiertos 16 formados en la misma, que sirve como campos de flujo de refrigerante para aumentar la transferencia de calor. Cada uno de tales canales 16 tiene un extremo de entrada y un extremo de salida y pueden adoptar cualquier perfil de sección transversal . En una modalidad preferida, cada canal 16 tiene un intervalo de altura de aproximadamente 100 a aproximadamente 10,000 micrones, un intervalo de anchura de aproximadamente 50 a aproximadamente 3500 micrones, y está espaciado de aproximadamente 50 a aproximadamente 3500 micrones de los canales adyacentes. Los canales 16 pueden estar grabados o labrados en la segunda superficie 14. En la alternativa, la placa de electrodo acanalada 10 puede ser moldeada por inyección o por compresión. En una modalidad de la placa de electrodo inventiva 10, y como mejor se muestra en la figura 1, la primera superficie 12 adopta una configuración plana, mientras que la segunda superficie 14 adopta una configuración acanalada.
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En otra modalidad (no mostrada) , la primera superficie 12 de la placa de electrodo 10 también adopta una configuración acanalada. Más específicamente, también están formados en la superficie 12 una pluralidad de canales abiertos. Los canales abiertos formados en la superficie 12 sirven como campos de flujo de reactante, cada canal con un extremo de entrada y un extremo de salida y adoptando cualquier perfil de sección transversal . En una modalidad preferida, la altura, anchura y espaciamiento de cada canal formado en la superficie 12 son similares a las mencionadas anteriormente para el canal 16. En una modalidad preferida, y como mejor se muestra en las figuras 2 y 3, la primera superficie 12 de la placa de electrodo 10 contiene una porción rebajada 18 que tiene un material fibroso compuesto 20 formado en la misma. En una modalidad más preferida, el material fibroso compuesto 20 es un material de fibra de carbón compuesto, el cual sirve para incrementar la conductividad eléctrica de la placa de electrodo 10. Tal material puede prepararse comprimiendo polvo de carbón en una masa coherente y sometiendo la masa a procesos de alta temperatura para el propósito de aglutinar las partículas de carbón entre sí y convertir una porción de la masa aglutinada a grafito. La masa puede cortarse entonces en rebanadas y las rebanadas se pueden formar dentro de la porción rebajada 18 de la primera superficie 12.
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En aún otra modalidad preferida, el material de fibra de carbón compuesto 20 es una estructura monolítica, rígida, abierta con alta permeabilidad. El material compuesto 20, que tiene preferentemente un espesor que varía de aproximadamente 1.5 a aproximadamente 10 milímetros (mm) , permite que los fluidos fluyan con facilidad a través del material, y cuando está activado, las fibras de carbón proporcionan una estructura porosa para adsorción. Tales materiales se describen en las patentes estadounidenses Nos. 5,827,355 y 6,030,698, las cuales se incorporan aquí en su totalidad a manera de referencia. En otra modalidad más preferida, el material fibroso compuesto 20 es un material compuesto de fibra de politetrafluoroetileno (PTFE) (por ejemplo TEFLON) . En aún otra modalidad más preferida, y como mejor se muestra en la figura 4, la porción rebajada 18 de una primera superficie 12 también contiene una pluralidad de canales abiertos 22 formados en ella, que sirven como campos de flujo para distribuir combustible u oxidante sobre el área activa de la placa de electrodo 10. Cada canal 22 tiene un extremo de entrada y un extremo de salida y puede adoptar cualquier perfil de sección transversal. Preferentemente, cada canal 22 tiene una altura que varía de aproximadamente 100 a aproximadamente 10,000 micrones (con más preferencia, de aproximadamente 100 a aproximadamente 1500 micrones) , una 15
anchura que varía de aproximadamente 50 a aproximadamente 3500 micrones (más preferentemente, de aproximadamente 50 a aproximadamente 750 micrones) , y está espaciado de aproximadamente 50 a aproximadamente 3500 micrones (más preferentemente, de aproximadamente 50 a aproximadamente 750 micrones) de los canales adyacentes. Mientras que los campos de transferencia de calor formados por los canales 16 pueden adoptar cualquier orientación en relación con los campos de flujo de reactantes formados por ejemplo por los canales 2,2., se prefiere que adopten una orientación substancialmente paralela en la placa de electrodo catódico y, como mejor se muestra en la figura 5, una orientación substancialmente perpendicular en la placa de electrodo anódico. Como podrá apreciarse con facilidad, estas orientaciones de campo de flujo dan lugar a un arreglo de flujo transversal en el ánodo y un arreglo de flujo paralelo en el cátodo, lo cual permite que un distribuidor de aire proporcione simultáneamente tanto aire reactante como aire de enfriamiento a la celda combustible o apilamiento . Como bien lo saben los expertos en la técnica, las corrientes de fluido reactante y refrigerante pueden suministrarse a una celda combustible o apilamiento, y agotar las corrientes de reactante y de refrigerante y remover de 16
ahí los productos de reacción, a través de sistemas distribuidores externos y/o internos. Cuando se emplean sistemas distribuidores externos, el distribuidor de coloca preferentemente en una porción de borde periférico (no mostrado) de la placa de electrodo 10. Más específicamente, la porción de borde periférico se localiza en el borde de la placa de electrodo 10 perpendicular a los campos de flujo y es preferentemente al menos el doble de ancho que el espesor del distribuidor que ahí se coloca, de tal manera que proporciona un área de sello adecuada . Cuando se emplean los sistemas de distribución internos, la placa de electrodo 10 se proporciona adicionalmente con una porción de armazón que contiene aberturas pasantes, formando cada una de esas aberturas una parte de un puerto de entrada/distribuidor de corrientes de combustible, oxidante o refrigerante, o un distribuidor/puerto de salida de corrientes de reactante agotado, refrigerante o producto de reacción. La placa de electrodo 10 de la presente invención es porosa (es decir, con un grado de porosidad que varía de aproximadamente 60 a aproximadamente 90%) , permitiendo que los fluidos reactantes (por ejemplo, moléculas de gas) se difundan o pasen a través de la placa de electrodo 10 de la capa de catalizador, debiendo satisfacer también ciertos 17
requerimientos mínimos de resistencia para permitir que resista la deformación durante el montaje de celdas y la operación . En una modalidad preferida, la placa de electrodo 10 es una estructura de placa porosa carbonosa que demuestra buena resistencia al calor y a la corrosión, conductividad eléctrica y resistencia mecánica. Tales estructuras pueden prepararse usando métodos y técnicas de fabricación convencionales. Por ejemplo, la placa de electrodo 10 puede prepararse por: (1) mezclado de un material carbonoso (por ejemplo, de aproximadamente 50 a aproximadamente 70% en peso, con base en el peso total de la mezcla, de un material carbonoso seleccionado del grupo que incluye grafito, negro de humo, fibras de carbón, y mezclas de los mismos) y un aglutinante (por ejemplo, de aproximadamente 50 a aproximadamente 30% en peso, con base en el peso total de la mezcla, de un aglutinante de PTFE) ; (2) vertido de la mezcla resultante en un molde; y (3) aplicación de calor y presión a la mezcla contenida en el molde para formar una estructura integral pero porosa. Las estructuras de placas resultantes son cada una: (1) un catalizador (por ejemplo, de platino o de platino/renio) enchapado en las áreas activas o porciones centrales; o (2) provistas con material fibroso compuesto 20.
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Las estructuras de placa provistas con material fibroso compuesto 20 se revisten entonces con un catalizador (por ejemplo, platino o platino/rutenio) y, en una modalidad preferida, se revisten adicionalmente con un material polimérico (por ejemplo, PTFE) para ayudar en reducir la resistencia interna de la celda. Para celdas combustibles de ácido sulfúrico, las estructuras de placa se proveen preferentemente con un material compuesto de fibra de TEFLON 20 y las estructuras se sumergen en ácido sulfúrico después de que se aplica el revestimiento del catalizador al material compuesto 20 para ayudar en reducir adicionalmente la resistencia interna de la celda . Como se apreciará con facilidad, el tamaño o dimensiones totales de la placa de electrodo 10 dependerán del tamaño de la celda combustible huésped y de las condiciones de operación de la misma. Con referencia ahora a la figura 6 en detalle, el número de referencia 24 se ha usado para designar en general una modalidad preferida de la celda combustible de la presente invención. Como se indicó anteriormente, la celda combustible 24 comprende básicamente una placa de electrodo anódico 26, una placa de electrodo catódico 28 y un electrolito 30. En esta modalidad preferida, las placas de electrodo 26, 28 están ligeramente espaciadas del electrolito 30, el cual 19
tiene las capas de catalizador 33, 35 formadas sobre lados opuestos del mismo, y la segunda superficie 36, 38 de cada placa de electrodo 26, 28 tiene una pluralidad de canales abiertos 40, 42 formados en las mismas. El tipo de electrolito 30 se determina típicamente por el tipo de celda combustible. Por ejemplo, para celdas de combustibles de alcohol directo y tipo PEM, el electrolito 30 comprende una membrana de intercambio iónico o electrolito de polímero sólido que sirve para convertir la energía química de hidrógeno y oxígeno directamente en energía eléctrica. El electrolito de polímero sólido permite el paso de protones del lado del ánodo de la celda combustible al lado del cátodo de la celda combustible mientras que evita el paso de fluidos reactantes tales como gases de hidrógeno y oxígeno. Tales membranas están disponibles de E.I. DuPont de Nemours and Company, 1007 Market Street, Wilmington, DE 19898, bajo la designación comercial de membrana de intercambio iónico NAFION, y de W.L. Gore & Associates, Inc. 555 Paper Mili Road, Newark, DE 19711, bajo la designación de producto de membrana GORE-SELECT. Para celdas combustibles alcalinas, de ácido fosfórico y de ácido sulfúrico, que no utilizan membranas poliméricas como electrolito, el electrolito 30 comprende una matriz porosa rellena con un electrolito líquido. La matriz de 20
electrolito permite el paso de protones del lado del ánodo de la celda combustible al lado del cátodo de la celda combustible evitando a la vez el mezclado del gas combustible dispuesto en un lado de la matriz con oxidante dispuesto en un lado opuesto. Por lo tanto la matriz debe ser altamente impermeable a gases y bastante conductora iónicamente . También debe ser resistente a la corrosión del electrolito. Un ejemplo de tal matriz, es una matriz porosa, carbonosa que se prepara de acuerdo con métodos y técnicas convencionales de fabricación tales como las descritas anteriormente para la placa 10. En una modalidad preferida, la celda combustible 24 es una celda combustible ácida y el electrolito 30 comprende un separador absorbente similar a una esponja y un electrolito ácido o mezcla de ácidos que es absorbido y retenido por el separador. El electrolito ácido o mezcla de ácidos puede tener la forma de un electrolito líquido y/o gelado. Con más preferencia, el electrolito 30 es una estructura de capas múltiples que comprende las siguientes capas en el orden especificado: una primera capa de difusión de gas, una primera capa de catalizador (por ejemplo de platino o de platino/renio) , un separador absorbente, una segunda capa de catalizador y una segunda capa de difusión de gas. Los separadores absorbentes adecuados son aquellos separadores que sirven para inmovilizar virtualmente la 21
totalidad del electrolito de ácido líquido o mezclas de ácidos presente en la celda combustible 24, permitiendo el paso de protones a través del electrolito inmovilizado, evitando a la vez el mezclado de gas combustible dispuesto en un lado del electrolito 30 con oxidante dispuesto en un lado opuesto. Preferentemente, el separador absorbente es una lámina no tejida de fibras tales como fibra de vidrio fina y/o fibras inorgánicas (por ejemplo, polipropileno) que se han hecho hidrofílicas . Los separadores de fibra de vidrio fino están disponibles de Hollinsworth & Vose Company Inc. 112 Washington Street, East Walpole, MA 02032-1008 ("Hollingsworth & Vose"), bajo la designación comercial de separadores de microvidrio HOVOSORB® II. Los separadores no tejidos preparados a partir de fibras inorgánicas ) por ejemplo, fibras de polipropileno y/o polietileno) que han sido polimerizados con injerto con un monómero vinílico (por ejemplo, un monómero de ácido acrílico) para hacer al separador hidrofílico, se describen en la patente estadounidense No. 5,922,417 de Singleton y colaboradores y en la patente estadounidense No. 6,384,100 de Choi, y están disponibles de Hollingsworth & Vose, bajo la designación comercial de separadores de batería HOVOSORB®. En otra de tales modalidades preferidas, el separador absorbente es reemplazado con un separador no absorbente y el electrolito de ácido o de mezcla de ácidos es reemplazado con 22
un electrolito de gel de ácido o de mezcla de ácidos que llena la celda combustible ácida 24. En esta modalidad, el electrolito gelado se presiona preferentemente (o a través) del separador. Los separadores no absorbentes adecuados sirven para permitir el paso de protones a través del electrolito gelado contenido en ellos, evitando a la vez el mezclado de gas combustible dispuesto en un lado del electrolito 30 con oxidante dispuesto en un lado opuesto. Preferentemente, el separador no absorbente es un separador tipo hoja seleccionado del grupo de separadores de fibra de vidrio, separadores de cloruro de polivinilo (PVC, por sus siglas en inglés) , separadores celulósicos y separadores de pulpa sintética. Con más preferencia, el separador no absorbente es un separador poroso que demuestra bajo desplazamiento de acido, baja resistencia eléctrica, inerte, estabilidad de oxidación, estabilidad mecánica y dimensiones favorables (por ejemplo, separadores con nervaduras altas en ambos lados) . Ejemplos de estos separadores más preferidos incluyen (1) una rejilla de poliéster integrada en una resina de fenol -formaldehído-resorcinol , la cual está disponible de Daramic, Inc., 13800 South Lakes Drive, Charlotte, NC 28273 ("Daramic, Inc."), bajo la designación comercial de separadores de batería DARA , (2) un separador de PVC tipo hoja, disponible de Daramic Inc., bajo la designación comercial de separadores 23
de cloruro de polivinilo S-PVC, y (3) separadores celulósicos tipo hoja, también disponibles de Daramic , Inc., bajó las designaciones comerciales de separadores celulósicos ARMORIB-L y ARMORIB-LS. Los separadores descritos anteriormente pueden usarse en conjunción con un soporte unido tal como una rejilla de vidrio para aumentar la integridad estructural del separador. Las capas de difusión de gas adecuadas son conductoras, inertes y permiten que el gas de reacción se difunda a través de la capa. Ejemplos de materiales adecuados para uso en estas capas incluyen papel y tela de fibra de carbón poroso, y materiales compuestos de fibra de carbón. Preferentemente, la capa de difusión de gas se prepara usando un papel de fibra de carbón poroso disponible de Toray Kabushiki Kaisha (Toray Industries, Inc) Corporation Japón, No. 2-1, 2-chome, Nihonbashi-Muromachi Chuo-ku, Tokio Japón, bajo la designación comercial de hojas de fibra de carbón TORAY. En una modalidad más preferida, la celda combustible 24 es una celda combustible de ácido sulfúrico y el electrolito 30 comprende un separador de fibra de vidrio fina (o rejilla de vidrio absorbente) y un electrolito líquido de ácido sulfúrico que contiene de aproximadamente 15 a aproximadamente 35% en peso de ácido sulfúrico. En esta modalidad más preferida, el separador de rejilla de vidrio 24
absorbente absorbe y retiene al electrolito líquido de ácido sulfúrico . En otra modalidad más preferida, la celda combustible 24 es una celda combustible de ácido sulfúrico y el electrolito 30 comprende un separador de resina de fenol formaldehído y ya sea un electrolito de gel de ácido sulfúrico o un electrolito de gel ácida mezclada de ácido sulfúrico/ácido fosfórico. En esta modalidad más preferida, el electrolito gelado se presiona en (o a través) del separador. Las celdas combustibles de ácido sulfúrico de la presente invención operan preferentemente en hidrógeno/aire.
En otra modalidad preferida, la celda combustible 24 es una celda combustible tipo PEM, que comprende: (a) una placa de electrodo anódico; (b) una placa de electrodo catódico; y (c) una membrana de intercambio iónico localizada entre las placas de electrodo del ánodo y del cátodo. Para celdas combustibles de alcohol directo, el uso de materiales o monolitos de compuestos fibrosos en la placa de electrodo anódico permiten que se adicionen otros catalizadores al monolito, dando como resultado un aumento en la cantidad de hidrógeno liberado hacia el ánodo. Para celdas de combustible alcalinas y de metal/aire, los monolitos fibrosos pueden revestirse con hidróxido de potasio (KOH) con el propósito de remover dióxido de carbono (C02) del aire suministrado.
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Con referencia ahora a la figura 7 en detalle, se han usado el número de referencia 44 para designar en general una modalidad más preferida de la celda combustible de la presente invención. La celda combustible 44 comprende básicamente: (a) una placa de electrodo anódico 46; (b) una placa de electrodo catódico 48; y (c) un electrolito 50 localizado entre las placas de electrodos 46, 48. Las placas de electrodo anódico y catódico 46, 48 tienen primeras y segundas superficies opuestas 52, 54 y 56, 58, en donde las primeras superficies 52, 56 de las placas 46, 48 (i) están cada una adyacentes al electrolito 50, (ii) contienen una porción rebajada 64, 70 que tiene una pluralidad de canales abiertos 66, 72 formados en la misma, teniendo cada canal un extremo de entrada y un extremo de salida, y (iii) tiene un material fibroso compuesto 68, 74 formado en la porción rebajada 64, 70, respectivamente. En esta modalidad más preferida, los campos de flujo de reactante formados por los canales abiertos 66 son substancialmente perpendiculares a los campos de flujo de reactante formados por los canales abiertos 72. Las segundas superficies 54, 58 de las placas de electrodo 46, 48 tienen una pluralidad de canales abiertos 60, 62 formados en las mismas, teniendo también cada canal un 26
extremo de entrada y un extremo de salida. En esta modalidad más preferida, los campos de flujo de refrigerante formados por los canales abiertos 60 son substancialmente paralelos a los campos de flujo de refrigerante formados por los canales abiertos 62. Las celdas combustibles 24, 44 de la presente invención son celdas combustibles construidas en capas que se requiere que estén selladas para evitar fugas de gas combustible (hidrógeno, oxígeno, o similar) y de líquido (electrolito líquido, o agua producida en la reacción electroquímica) de la celda combustible durante la operación. Con el objeto de evitar fugas de gas o de líquido se usan varios medios de sellado tales como empaques (por ejemplo, empaques tipo hule o elastómero plástico tal como empaque tipo hule VITON y empaques tipo PTFE GORE-TEX) , placas de hule con capas celulares de hule en las mismas y materiales de sello tales como resina de PTFE. Estos empaques, placas y/o materiales resinosos se colocan entre cada componente de celda combustible y los componentes de celdas combustibles se comprimen usando, por ejemplo, tirantes y placas terminales, para efectuar el sellado. En una modalidad preferida, cada componente de celda combustible 24, 44 se unen entre sí usando un adhesivo epoxídico. En una modalidad más preferida, se usa un adhesivo epoxídico removible que tiene una temperatura de 27
desprendimiento relativamente baja, facilitando así que el apilamiento de celdas combustibles se desmonten, reparen y mejoren. En una modalidad mayormente preferida, el adhesivo epoxídico removible, que puede prepararse en cualquier tamaño y espesor, se dimensiona o corta para coincidir con las superficies que se unen, se aplica a una superficie y se funde. La unión se realiza al poner en contacto el adhesivo fundido con la otra superficie y curando entre la temperatura ambiente y 60°C. El adhesivo puede removerse entonces a 90 y hasta 130°C. Las placas de electrodo 10, 26, 28, 46, 48, además de dirigir y distribuir fluido refrigerante (por ejemplo, agua, aire) y/o reactantes y productos reactantes a través de las placas, sirven como colectores de corriente y proporcionan soporte para componentes de celdas combustibles adyacentes. Para placas de electrodo de canales o microcanales de un solo lado, pueden usarse microcanales para enfriar la celda combustible o apilamiento o para dirigir/distribuir reactantes y productos reactantes. Cuando los microcanales se usan solo para dirigir/distribuir reactantes y productos de reacción, o si se desea enfriamiento adicional del apilamiento, pueden agregarse placas de enfriamiento separadas a la celda combustible 24, 44, o a una o más 28
celdas combustibles en el apilamiento, para remover calor. Cualquiera de esas placas de enfriamiento debe ser eléctricamente conductora y compatible con el ambiente operativo de la celda. Cuando se usan placas de electrodo de microcanales "reactante" de un solo lado junto con placas de electrodo de microcanales de doble lado, se logra un nivel adecuado de enfriamiento por medio de las placas de microcanales de doble lado, obviando con ello la necesidad por placas de enfriamiento separadas. Tal configuración permite que un apilamiento más pequeño haga que la celda combustible o apilamiento sea adecuada para usarse en aplicaciones de transportación, que requieren fuentes de energía ligeras y muy pequeñas. Para placas de electrodo de microcanales de doble lado, en donde los microcanales se usan como campos de flujo para enfriar la celda combustible o apilamiento y para suministrar combustible u oxidante al electrodo, la capacidad de enfriamiento agregada permite una mayor salida de energía haciendo que la celda combustible o apilamiento sea adecuada para uso en aplicaciones residenciales, comerciales e industriales que requieren una capacidad mayor al permitir el aumento en peso y tamaño.
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En la figura 8, el número de referencia 76 se ha usado para designar en general una modalidad preferida del apilamiento de celdas combustibles de la presente invención. En ese apilamiento, las celdas combustibles 24 a-e, que están conectadas en serie, se colocan entre placas terminales 78, 80 y se sostienen juntas por ejemplo, por medio de tirantes y placas terminales (no mostradas) o por medio de un adhesivo. En esta modalidad preferida, los campos de flujo de refrigerante formado por los canales abiertos en las placas de electrodo adyacentes (por ejemplo, los canales 82, 84) se alinean, proporcionando así campos de flujo con doble volumen y capacidad de enfriamiento. Como podrán apreciarlo con facilidad aquellos con experiencia en la técnica, para los diseños de apilamientos de celdas combustibles en donde las placas de electrodo anódico y las placas de electrodo catódico se colocarían adyacentes una con la otra, el apilamiento de celdas combustibles 76 comprende adicionalmente , placas separadoras impermeables pero eléctricamente conductoras (no mostradas) . Estas placas separadoras se insertarían entre las placas de electrodo anódico y catódico adyacentes para evitar el mezclado del gas combustible y oxidante. En la figura 9, el número de referencia 86 se ha usado para designar en general una modalidad más preferida del apilamiento de celdas combustibles de la presente invención.
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En esta modalidad más preferida, el apilamiento de celdas combustibles 86 es enfriada por aire y emplea una pluralidad de celdas combustibles 44 a-e. Un sistema de distribución externo 88 sirve para introducir hidrógeno y aire a través de los puertos pasantes 90 y 92, respectivamente, mientras que las corrientes de reactante agotado y de refrigerante y los productos de reacción salen a través de los puertos 94 y 96. Cuando el apilamiento (o conjunto de celdas combustibles en el apilamiento) se conecta al combustible, al oxidante y a las corrientes de refrigerante a través de los sistemas de distribución interna, el apilamiento típicamente incluye: (1) puertos de entrada y distribuidores para suministrar y dirigir las corrientes de combustible y de oxidante a los pasajes de flujo individuales de reactante de las celdas combustibles; (2) puertos de entrada y distribuidores para suministrar y dirigir corrientes de refrigerante (por ejemplo, aire, agua) a los pasajes de flujo individuales de refrigerante de las celdas combustibles; (3) distribuidores de escape y puertos de salida para expulsar corrientes de reactante agotadas y productos de reacción; y (4) distribuidores de escape y puertos de salida para corrientes de refrigerante agotadas que salen del apilamiento. Aunque la presente invención se ha mostrado y descrito con respecto a las modalidades detalladas de la misma, 31
aquellos con experiencia en la técnica entenderán que pueden hacerse varios cambios en forma y detalle de la misma sin alejarse del espíritu y alcance de la invención reclamada. Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.