WO2014198997A1 - Pila de combustible modular por bloques - Google Patents

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WO2014198997A1
WO2014198997A1 PCT/ES2014/070498 ES2014070498W WO2014198997A1 WO 2014198997 A1 WO2014198997 A1 WO 2014198997A1 ES 2014070498 W ES2014070498 W ES 2014070498W WO 2014198997 A1 WO2014198997 A1 WO 2014198997A1
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fuel cell
plates
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plate
monopolar plate
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PCT/ES2014/070498
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Félix Barreras Toledo
Antonio Lozano Fantoba
Vicente RODA SERRAT
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Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
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Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
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    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
    • H—ELECTRICITY
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention is within the energy and electrical sectors.
  • it refers to a modular fuel cell that can be used in domestic installations and / or in the automotive industry, among other applications.
  • a type of battery very useful for applications as vain as portable (laptops, mobile phones, etc.), mobile (the automotive sector), and stationary (such as units of heat and power for homes), for its small size and temperature working relatively low ( ⁇ 160 ° C), is the so-called PEM type that is characterized by having a polymeric proton exchange membrane as an electrolyte.
  • a fuel cell is formed by the connection, either in series or in parallel, of different individual units commonly called cells, which are grouped in a sufficient number and with a given chemical reaction area, so that generation is ensured of the electrical power demanded by the application to be fed.
  • Each cell consists of two fundamental elements, the membrane-electrode systems (MEAs according to English literature), which are considered the heart of the batteries, and the bipolar or monopolar plates that, following the human analogy, are the muscles and bones that provide the necessary support to the battery.
  • the MEAs are formed by the polymeric membrane, a catalytic layer deposited on each side and the diffuser layers formed by cloth or carbon paper of the same size as the catalytic layers.
  • the plates of the fuel cells are the mechanical elements that delimit each cell, and usually incorporate the collectors that distribute the reactants to all the cells (inlet and outlet), the flow geometries, and the sealing system.
  • the flow geometries are in contact with the corresponding electrode part and facilitate the arrival of the reactants to the catalytic layers, their size is defined by the chemical reaction area of the MEAs.
  • the fuel cells can also comprise a series of additional components such as the end plates, the current collectors, the seals and seals, and the screws and nuts that ensure the battery tightness, as well as other electrical connection elements and both electrical and thermal insulation.
  • the plates have flow geometries on both sides they are called bipolar, anode on one side and cathode on the other; while if they have it only on one side they are called monopolar.
  • the face that does not have flow geometry can be used to form the cooling channels, in case it is necessary to have a system to control the working temperature.
  • the flow geometries are formed by channels delimited by nerves, through which the reactant fluids to be consumed in the corresponding electrode are distributed.
  • Miscellaneous Patents describe suitable materials as constituents of the plates, among them: WO 00/22689 (May, B., Hodgson, DR) 2000, or WO 95/16287 (Wilkinson, DP, Lamont, GJ, Voss, HH, Schwab, C .) 1995.
  • WO 95/16287 Wangon, DP, Lamont, GJ, Voss, HH, Schwab, C .
  • the present invention provides a fuel cell formed by different blocks of a given number of cells, conferring a modular character that allows to facilitate and reduce the assembly time of the battery, eliminates the leakage of gases to the outside and, what is more importantly, it minimizes maintenance tasks in the event that any cell (s) work defectively.
  • the fuel cell object of the present invention allows the replacement of one block by another immediately and without the need to disassemble the individual cells from the rest of the blocks, which represents a great advantage over the known state of the art until the moment. Although when replacing the defective block it is necessary to interrupt the battery operation, its subsequent start-up is very fast since it is not necessary to realign all the cells.
  • each block is formed by 5 different types of monopolar plates to ensure that each monocell is perfectly closed by screws. Additionally, the different blocks can be joined together by screws to obtain the desired battery voltage and power.
  • the inlet and outlet manifolds for the two gases are created.
  • the supply of gases to the flow geometries (7) of the plates is carried out from the rear of the plates, thus minimizing gas leaks and simplifying the sealing system.
  • the fuel cells that use a proton exchange polymer membrane as electrolyte are either low (up to 80 ° C) or high temperature (up to 180 ° C) , fed with hydrogen or direct methanol.
  • PEM type any other type of fuel cell having flat geometry, for example, solid oxide, molten carbonate, phosphoric acid, etc., is also considered object of the present invention.
  • micropile-based laptops such as mobile phone chargers and power supplies for laptops, among others; stationary as uninterruptible or back-up power units, heat and power units for homes and housing developments, etc. ; as well as mobile applications, for example, cars, wheelchairs, special vehicles, etc.
  • the present invention provides a modular fuel cell characterized in that it comprises:
  • iii) means to close each cell and couple them together.
  • flat cathode plate or “flat anodic plate” means that whose basal plane is not curved.
  • the present invention relates to a modular fuel cell that uses a protonic exchange polymer membrane, known as PEM type, as an electrolyte.
  • PEM protonic exchange polymer membrane
  • These batteries can be low temperature, that is, they operate at a temperature up to 80 ° C; or high temperature, that is, they operate at a temperature up to 180 ° C. In both cases they can be fed with hydrogen or direct methanol.
  • any other type of fuel cell having flat geometry that is, comprising flat plates, for example, solid oxide, molten carbonate, phosphoric acid, etc., is also considered object of the present invention.
  • the plate blocks that make up the modular nature of the fuel cell of the invention can have any shape, for example, square, rectangular, circular or oval; provided that they correctly house all the necessary elements to guarantee the proper functioning of the device.
  • the plates included in the different blocks can be monopolar plates or bipolar plates.
  • Bipolar plates have flow geometry on both sides and can act as an anode or cathode; while anodic or cathodic monopolar plates have flow geometry only on one of the faces, called the front face in this application of patent, being able to be the smooth rear face or to comprise channels to allow the circulation of a refrigerant fluid.
  • the plates that make up the blocks comprised in the modular fuel cell as described in this patent application comprise threaded holes (10 a) and alternate threads (10 b). These closing and coupling means allow each monocell to be closed and coupled together to form the blocks by means of screws or other equivalent means.
  • the fuel cell as described in this patent application comprises a reactant gas supply system that runs from the rear of the plates, where the general collectors (1) communicate by means of a recess (2 ) to the flow geometries (7) of the front faces of the plates. The system of supply of reactant gases from the general collectors to the flow geometries through the back of the plates allows to optimize the assembly, minimize the risk of leaks and simplify the time and maintenance tasks.
  • the recesses (12) have ribs (13) that allow greater solidity and increase the area of electrical contact between the rear faces of the plates when the feeding manifolds are large.
  • the area of the recesses on the rear face of the gas supply plates can have any shape, for example, square, rectangular, circular or oval, provided that it serves to minimize the total area of the plates.
  • the end plates of each block comprised in the modular fuel cell as described in this patent application have tabs (4, 5) with holes (1 1) that facilitate electrical connection with adjacent blocks .
  • the fuel cell of the present invention comprises housings around the active areas (8) and the general manifolds (9) on the front face of the plates, as well as around the gas supply system of the faces back of the plates. These housings allow the placement of gaskets, seals or other sealing means to prevent the escape of reactant gases.
  • the modular fuel cell object of the present invention preferably consists of five different types of monopolar plates or four types in the case of bipolar plates , to ensure that each individual cell, also called a monocell, is perfectly closed by screws.
  • the blocks can be joined together by screws to obtain the desired battery voltage and power.
  • the monocells comprised in the modular fuel cell as described in this patent application comprise an anodic monopolar plate and a cathodic monopolar plate.
  • the use of monopolar plates facilitates the closing of each individual monocell and its replacement if necessary without altering the rest of the cells in the block.
  • the cathode monopolar plate has channels (6) on the rear face, that is, the opposite side of the plate to the chemical reaction area (7). These channels allow the circulation of a cooling fluid and, therefore, are especially advantageous in fuel cells with large reaction areas, since these generate a large amount of heat that must be extracted to maintain the operating temperature at the recommended values by the manufacturers of the MEAs.
  • the cell blocks (14) comprised in the fuel cell of the present invention they comprise:
  • the plates can be obtained by manufacturing methods known to those skilled in the art, for example, by machining, molding, EDM or stamping, among others.
  • the modular fuel cell object of the invention can additionally incorporate other elements in the fuel cell plates such as:
  • the fuel cell of the present invention may comprise screws distributed in the central area of the end plates (17). These allow to improve the electrical contact between the front faces of the plates and the membrane-electrode systems.
  • the fuel cell as it is described in this patent application comprises plates (19) to help transmit the pressure exerted by the central screws (17) to the cells of the different blocks (14).
  • the plates included in the fuel cell of the present invention are made of a material selected from the group consisting of metals, metal oxides, polymeric compounds and graphite.
  • the outlet duct incorporates a control system that allows, by a drain valve, closing the circuit for a given time, causing the cathode to slightly overpress.
  • cell block (14) as described in this patent application comprising:
  • end plates have tabs (4, 5) with holes (1 1) for joining adjacent blocks, and where the through holes of a monopolar plate Even internal cathodic correspond to the threaded holes of an odd cathode monopolar plate and vice versa.
  • Figure 3 shows the two faces of a cathode monopolar plate, where the reactant gas that circulates through the collectors (1) passes through the recess made in the rear face (2) that communicates to the general collector (1) with the channel (3), allowing the supply of gas to the flow geometries that are on the front faces.
  • Figures 4, 5, 6, 7 and 8 show the two faces of the five different types of plates that form a block, whatever the number of cells.
  • figures 4 and 5 which represent the two faces of anodic monopolar plates
  • their rear faces are smooth, unlike cathode monopolar plates, which have channels (6) which can be used as refrigeration to maintain the temperature of the battery in the range recommended by the manufacturer of the MEAs.
  • On its front face (fig.
  • both plates have a housing (8) where a seal of material, or seal, deformable is placed to prevent the leakage of reactant gases to the outside, as well as the crossing of these between the cathode electrode and the anode.
  • the anodic monopolar plates have joint housings in the area surrounding the collectors on the main face (9), while the same occurs around the gas feeding system on the rear face of the cathode plates (9) in figures 6 and 7.
  • the channels are grouped into several blocks because the presence of the holes intended for the closing screws of the cells (10a, 10b) prevents having the entire surface of the plate available for this function.
  • the anodic initial plate (figure 4) and the cathodic end plate (figure 8) have holes (1 1) in their four corners that allow to block blocks with each other or assemble them with the current collector plates if it is the end blocks of the battery
  • the gas Once the gas reaches the reaction zone, it is distributed through the flow geometry (7) of the cell, for example, parallel, interdigitated channels, of the "fishbone” type or in a serpentine-parallel block , and diffuses through the diffuser layers reaching the catalytic layers.
  • the fuel generally hydrogen
  • the fuel is separated with the help of platinum centers that act as catalysts, in electrons and protons, the latter crossing the electrolytic polymer membrane.
  • the electrons for their part migrate back to the plates to pass to the cathode of the next cell, or provide electricity to the consumer.
  • the cathodic zone electrons recombine in the cathode with the H + and 0 2 protons, generating water.
  • the surplus of reactant gases that are not consumed completely leaves the plates through the channels towards the general collectors and from there they are taken out of the battery.
  • washers made of a material that does not conduct the electric current in the mechanized seats on the front face.
  • these washers can be ceramic, plastic or made of polymers resistant to the operating temperature defined by the manufacturer of the MEA.
  • an odd cathode monopolar plate is placed on it, as shown in Figure 7, with the front face resting on the upper face of the MEA, the rear face with the cooling channels (6) facing up. All the washers are placed in the seats made around all the through holes (10 b) and the appropriate screws are placed in them. Subsequently, with the help of a screwdriver, a torque wrench, or any other useful tool, they are screwed into the corresponding threaded holes of the final anode plate of the block, the first cell being closed. It should be noted that the remaining threaded holes of the cathode monopolar plate (10 a) remain free.
  • the final anode monopolar plate differs from those formed by the internal cells of the block because it is somewhat larger since its ends are not rounded, since there are two holes in them (1 1) that allow its union with the final cathode plate of another block (if it is an intermediate block), or with the corresponding current collector plate in the case that it is the block of one of the ends of the battery.
  • an internal anode monopolar plate is placed, as shown in Figure 5, matching its smooth rear face on the face with the cooling channels (6) of the cathode monopolar plate already mounted Consecutively, it is positioned a new MEA on the flow geometry (7), as well as the washers in the seats made around the through screws that coincide with the threads of the previous cathode plate that were free.
  • a single cathode monopolar plate is placed, as shown in Figure 6, again with the face with the flow geometry (7) resting on the upper face of the MEA, leaving the rear face with the cooling channels (6 ) upwards. All the washers are placed in the seats made around the through holes (10 b) and the screws are placed in them.
  • the block is completely closed by screwing the screws placed in the through holes of the final cathode monopolar plate, as shown in Figure 8, into the threaded holes of the cathode monopolar plate of the immediately preceding cell.
  • the block consists of 5 cells and, therefore, the configuration of the holes of the final cathode block plate coincides with that of an odd cell.
  • the monopolar final cathode is also larger than the internal ones, since its ends are not rounded, since there are holes (1 1) that allow its union with the plate. final anode of another block (if it is an intermediate block), or with the corresponding current collector plate in the case that it is the block of one of the ends of the battery.
  • FIG. 7 A vane of the cathode monopolar plates is shown in Figure 7, where the recess zone (12) of the four channels through which the reactant gases circulate and which allows the feeding of gases towards the flow geometry, has ribs (13).
  • This system allows batteries that have large power channels to give greater strength and increase the area of electrical contact between the rear faces of both plates.
  • FIG. 9 an example of a final assembly of a cell formed by 8 blocks of cells (14) is shown in Figure 9, where the holes in which the connectors for the feed and output of the reactant gases (15) are placed .
  • the closing system is detailed, formed by the external screws (16) that are the ones that compact the battery, and a certain number of central screws (17) that help improve the electrical contact in the central area that coincides with the of chemical reaction.
  • the current collector plates (18) that have tabs where the electrical connection cables are attached between the battery and the given application, the pressure transmitter plates (19) that as their Name indicates transmit the force of the central screws to all plates, and the end plates (20).
  • Figure 1 shows an isometric drawing that schematizes the assembly of a stack consisting of 6 blocks of 5 cells each and an enlarged detail of one of the blocks of 5 cells completely closed.
  • Figure 2 shows a 5-cell block formed by monopolar plates with large rectangular openings that form the gas collectors and other small ones for feeding them to the flow geometries, where the rear face of the anode plates is smooth and that of the cathode plates has a series of channels that are used as refrigeration system.
  • Figure 3 shows an enlarged image of the gas supply zone of a cathode monopolar plate of both the chemical reaction front face (fig. 3a) and the cooling rear face (fig. 3b), where the recess made is detailed on the rear face that communicates the general collector with the feed channel to allow the reactant gases to reach the flow geometry.
  • Figure 4 shows the two faces of the monopolar plate end anode of the block (fig. 4a corresponds to the front face and fig. 4b corresponds to the rear face) where the gas circulation system formed by the general collectors and the inlet and outlet grooves to the flow geometries, the joint system used to prevent gas leaks and threaded holes where the screws will be screwed from an odd cathode monopolar plate that facilitate the correct closure of the first cell.
  • Figure 5 shows the two faces of a monopolar anode plate that forms the internal individual cells (fig. 5a corresponds to the front face and fig. 5b corresponds to the rear face), where the gas circulation system formed by the General collectors and the channels of entry and exit of gases to the flow geometries, the joint system used to prevent gas leaks and through holes, of which only half is used depending on the position occupied by the cell in the module, where the screws that facilitate the correct closing of the cell pass.
  • Figure 6 shows the two faces of an even cathode monopolar plate forming the internal even cells (fig. 6a corresponds to the front face and fig.
  • 6b corresponds to the rear face), with the gas circulation system formed by the general manifolds, the recesses in the back face and the channels of entrance and exit of the gases to the flow geometries, the system of joints used to avoid the leakage of gases and the holes, some threads and other interns, to place the screws that facilitate the correct closing of the cells.
  • Figure 7 shows the two faces of an odd cathode monopolar plate that forms the internal odd cells, where a vain is detailed in the reactant gas feeding system in which a series of nerves are placed in the recess made in the face rear
  • Figure 8 shows the two faces of the monopolar plate end cathode of the block (fig. 8a corresponds to the front face and fig. 8b corresponds to the rear face) where the gas circulation system formed by the general collectors and the inlet and outlet grooves to the flow geometries, the joint system used to prevent gas leaks and through holes where the screws that facilitate the correct closure of the last cell will be placed, which screw into the monopolar plate cathode pair previous.
  • Figure 9 shows the isometric drawing of the final assembly of a cell formed by 8 blocks of cells and where the closing system formed by the end plates, the external screws, the center screws, the current collector plates and the transmitter plates is observed of pressure.
  • Figure 10 shows the polarization curve obtained for a block of 5 cells and which is described in the exemplary embodiment of the object of the invention.
  • a small stack formed by a single block of 5 was mounted Closed cathode-type architecture cells.
  • refrigerated monopolar plates were used.
  • the flow geometry fishbone
  • the rear faces of the anode plates were smooth, while the cooling channels were machined on the rear faces of the cathode plates.
  • the plates were made of aluminum and, to prevent corrosion, a layer of chromium nitride 2 ⁇ thick was deposited.
  • a thickness for them of 5 mm was chosen, while the anodic monopolars were machined in plates with a thickness of 2 mm
  • the cooling channels were distributed in 6 blocks of 4 channels each, all with a depth of 2.5 mm and a width of 5.5 mm, separated by nerves of 1 mm thickness.
  • the active area of the MEAs used in this stack (605 cm 2 ) was covered with a "fishbone" flow geometry with 46 channels 741 mm long, 1 mm wide and 1 mm deep mm which were machined on the main faces of the monopolar plates. To minimize the tightening force of the screws, it was decided to reduce the entire surface of the flow geometry 0.3 mm, thus easily positioning the MEA in the flow zone of the reactant gases. On the other hand, to prevent gas leaks, a small rectangular channel 1, 2 mm wide and 0.3 mm deep was machined surrounding all the most prone areas (gas collectors and active area) in which it was deposited a seal of Loctite® 5910 silicone that supports the high working temperature and acts as a seal. The deposition of the silicone was done with a robot programmable, which allows varying the dimensions of the cord depending on the needle used, the travel speed and the injection pressure.
  • the front face of the anodic monopolar plates had a recess of a depth of 0.4 mm where an electrical resistance wire was housed. In this way, a faster and more uniform heating of the entire surface of the MEA is allowed, achieving the working temperature (160 ° C) in a short time, which minimizes the starting time of the battery.
  • This solution is limited to placing the resistance inside the machined channel, the compressed wire remaining between the main faces of the two monopolar plates when each cell is mounted.
  • the device was conditioned following the established protocol.
  • the battery was kept running for more than 10 hours in stationary conditions at 160 ° C and with a hydrogen flow rate of 24.8 Nl / min and another of 34.7 Nl / min of oxygen, which correspond to current density of 0.2 A / cm 2 , which is adjusted by a dynamic electronic load, and a stoichiometry of 1, 25 and 3.5, respectively.
  • the demand current to the block began to vary with the help of the dynamic electronic load, and the corresponding voltage values were obtained.
  • Polarization curve obtained for the optimal working parameters (gauge pressure of 0.8 bar in cathodes and 0.5 in anodes, as well as a stoichiometry of 1, 2 for H 2 and 4 for 0 2 ) is shown in Figure 10
  • a maximum power of 650 W is obtained, at a current of 330 A (0.545 A / cm 2 ). Therefore, for a stack of 8 blocks, such as that shown in Figure 9, the power produced at steady state will be close to 5.2 kW.

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Abstract

Pila de combustible modular caracterizada porque comprende: i) al menos dos bloques de celdas (14), comprendiendo cada uno de ellos de forma independiente al menos dos monoceldas, formadas éstas por una placa anódicaplana, una placa catódicaplana y al menos un área de reacción químicasituada entre ambas (7); ii) un sistema de suministro de gases reactantes desde los colectores generales hasta el área de reacción química; y iii) medios para cerrar cada celda y acoplarlas entre sí.

Description

DESCRIPCIÓN
PILA DE COMBUSTIBLE MODULAR POR BLOQUES SECTOR DE LA TÉCNICA
La presente invención se sitúa dentro de los sectores energético y eléctrico. En particular, se refiere a pila de combustible modular que puede emplearse en instalaciones domésticas y/o en la industria de la automoción, entre otras aplicaciones.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Desde hace unos años, los científicos e ingenieros se han visto obligados a encontrar fuentes de energía alternativas a la combustión debido a la creciente escasez de combustibles fósiles, el aumento de su precio, así como al aumento de las limitaciones en las emisiones de gases de efecto invernadero impuestas por los compromisos internacionales vigentes. Una posibilidad interesante dentro de este escenario energético es el uso de las pilas de combustible, ya que estos dispositivos electroquímicos convierten la energía química almacenada en un combustible directamente en energía eléctrica y generan, como únicos subproductos, agua y calor. Dentro de las ventajas de las pilas de combustible destacan su bajo nivel de contaminación ambiental, su alta eficiencia y su bajo nivel de ruido. Dependiendo del tipo de electrolito que empleen y el rango de temperatura de trabajo existen diferentes tipos de pilas de combustible. Un tipo de pila muy útil para aplicaciones tan vanadas como portátiles (ordenadores portátiles, teléfonos móviles, etc.), móviles (el sector automotor), y estacionarias (como unidades de calor y potencia para viviendas), por su tamaño reducido y su temperatura de trabajo relativamente baja (<160°C), es el denominado tipo PEM que se caracteriza por tener una membrana polimérica de intercambio de protones como electrolito. Una pila de combustible está formada por la conexión, bien sea en serie o en paralelo, de diferentes unidades individuales denominadas comúnmente celdas, las cuales se agrupan en un número suficiente y con un área de reacción química dada, de forma que se asegura la generación de la potencia eléctrica demandada por la aplicación que se desee alimentar. Cada celda consta de dos elementos fundamentales, los sistemas membrana-electrodos (MEAs según la literatura inglesa), que son considerados el corazón de las pilas, y las placas bipolares o monopolares que, siguiendo la analogía humana, son los músculos y huesos que brindan el sostén necesario a la pila. Las MEAs están formadas por la membrana polimérica, una capa catalítica depositada a cada lado y las capas difusoras formadas por tela o papel carbonoso del mismo tamaño que las capas catalíticas. Las placas de las pilas de combustible son los elementos mecánicos que delimitan cada celda, y suelen incorporar los colectores que distribuyen los reactantes a todas las celdas (entrada y salida), las geometrías de flujo, y el sistema de sellado. Las geometrías de flujo se encuentran en contacto con la parte del electrodo correspondiente y facilitan la llegada de los reactantes hasta las capas catalíticas, su tamaño está definido por el área de reacción química de las MEAs. Además, las pilas de combustible también pueden comprenden una serie de componentes adicionales como las placas terminales, las colectoras de corriente, las juntas y sellos, y los tornillos y tuercas que aseguran la estanqueidad de la pila, así como otros elementos de conexión eléctrica y aislamiento tanto eléctrico como térmico. En el caso de que las placas tengan geometrías de flujo en las dos caras se llaman bipolares, ánodo por un lado y cátodo por el otro; mientras que si la tienen sólo en una cara se denominan monopolares. En este último caso, la cara que no tiene geometría de flujo se puede emplear para formar los canales de refrigeración, en el caso que sea necesario disponer de un sistema para controlar la temperatura de trabajo. Las geometrías de flujo están formadas por canales delimitados por nervios, por los que se distribuyen los fluidos reactantes que se van a consumir en el electrodo correspondiente. Diversas patentes describen materiales adecuados como constituyentes de las placas, entre ellas: WO 00/22689 (May, B., Hodgson, D.R.) 2000, o WO 95/16287 (Wilkinson, D.P., Lamont, G.J. , Voss, H.H., Schwab, C.) 1995. En diversos documentos del estado de la técnica se reflejan variantes en sus diseños y composición para la fabricación de placas. Sin embargo debe señalarse que, por parte del peticionario, se desconoce la existencia de alguno que presente características técnicas, estructurales y de configuración semejantes a la pila de combustible objeto de la presente invención.
DESCRIPCIÓN
Breve descripción de la invención
La presente invención proporciona una pila de combustible formada por diferentes bloques de un número dado de celdas, confiriéndole un carácter modular que permite facilitar y reducir el tiempo de montaje de la pila, elimina las fugas de gases hacia el exterior y, lo que es más importante, minimiza las tareas de mantenimiento en caso de que alguna(s) celda(s) funcione de manera defectuosa. Así, la pila de combustible objeto de la presente invención permite la sustitución de un bloque por otro de forma inmediata y sin necesidad de desmontar las celdas individuales del resto de los bloques, lo cual representa una gran ventaja respecto al estado de la técnica conocido hasta el momento. Aunque al sustituir el bloque defectuoso sí es necesario interrumpir el funcionamiento de la pila, su posterior puesta en marcha es muy rápida ya que no es necesario realinear todas las celdas. En realizaciones preferidas de la presente invención, cada bloque está formado por 5 tipos diferentes de placas monopolares para garantizar que cada monocelda quede perfectamente cerrada mediante tornillos. Adicionalmente, los diferentes bloques pueden unirse entre sí mediante tornillos para obtener el voltaje y la potencia de la pila deseados. Al montar cada bloque se crean los colectores de entrada y salida para los dos gases. Preferiblemente, el suministro de gases a las geometrías de flujo (7) de las placas se realiza desde la parte trasera de las mismas, minimizando así las fugas de gases y simplificando el sistema de sellado.
En realizaciones preferidas de la presente invención, las pilas de combustible que emplean como electrolito una membrana polimérica de intercambio protónico, pilas conocidas como de tipo PEM, bien sean de baja (hasta 80°C) como de alta temperatura (hasta 180°C), alimentadas con hidrógeno o metanol directo. Sin embargo, también se considera objeto de la presente invención cualquier otro tipo de pila de combustible que presente geometría plana, por ejemplo, óxido sólido, carbonato fundido, ácido fosfórico, etc.
Las pilas de combustible que se describen en esta solicitud de patente pueden utilizarse para aplicaciones muy vanadas, que abarcan desde las portátiles basadas en micropilas como por ejemplo, cargadores de móviles y suministro de energía para ordenadores portátiles, entre otros; las estacionarias como unidades de alimentación ininterrumpida o de back-up, unidades de calor y potencia para casas y urbanizaciones, etc. ; así como las aplicaciones móviles, por ejemplo, automóviles, sillas de rueda, vehículos especiales, etc..
Descripción detallada de la invención
En un primer aspecto, la presente invención proporciona una pila de combustible modular caracterizada porque comprende:
i) al menos dos bloques de celdas (14), comprendiendo cada uno de ellos de forma independiente al menos dos monoceldas, formadas éstas por una placa anódica plana, una placa catódica plana y al menos un área de reacción química (7) situada entre ambas;
¡i) un sistema de suministro de gases reactantes desde los colectores generales hasta el área de reacción química; y
iii) medios para cerrar cada celda y acoplarlas entre sí.
En esta solicitud de patente se entiende por "placa catódica plana" o "placa anódica plana" aquella cuyo plano basal no está curvado. En una realización preferida, la presente invención se refiere a una pila de combustible modular que emplea como electrolito una membrana polimérica de intercambio protónico, pila conocida como de tipo PEM. Estas pilas pueden ser de baja temperatura, es decir, operan a una temperatura hasta 80°C; ó de alta temperatura, es decir, operan a una temperatura hasta 180°C. En ambos casos pueden estar alimentadas con hidrógeno ó metanol directo.
Sin embargo, también se considera objeto de la presente invención cualquier otro tipo de pila de combustible que presente geometría plana, es decir, que comprenda placas planas, por ejemplo, óxido sólido, carbonato fundido, ácido fosfórico, etc.
Los bloques de placas que conforman el carácter modular de la pila de combustible de la invención pueden tener cualquier forma por ejemplo, cuadrada, rectangular, circular u ovalada; siempre que alberguen de forma correcta todos los elementos necesarios para garantizar el funcionamiento adecuado del dispositivo.
Las placas comprendidas en los diferentes bloques pueden ser placas monopolares o placas bipolares. Las placas bipolares presentan geometría de flujo por ambas caras y pueden actuar de ánodo o cátodo; mientras que las placas monopolares anódicas o catódica presentan geometría de flujo únicamente por una de las caras, denominada cara delantera en esta solicitud de patente, pudiendo ser la cara trasera lisa o comprender canales para permitir la circulación de un fluido refrigerante.
En otra realización preferida, las placas que conforman los bloques comprendidos en la pila de combustible modular tal como se describe en esta solicitud de patente comprende orificios roscados (10 a) y pasantes (10 b) alternados. Estos medios de cierre y acoplamiento permiten cerrar cada monocelda y acoplarlas entre sí para formar los bloques mediante tornillos u otros medios equivalentes. En otra realización preferida, la pila de combustible tal como se describe en esta solicitud de patente comprende un sistema de suministro de gases reactantes que va desde la parte trasera de las placas, donde los colectores generales (1 ) se comunican mediante un rebaje (2) hasta las geometrías de flujo (7) de las caras delanteras de las placas. El sistema de suministro de gases reactantes desde los colectores generales hasta las geometrías de flujo por la parte trasera de las placas permite optimizar el montaje, minimizar el riesgo de fugas y simplificar el tiempo y las tareas de mantenimiento.
Preferiblemente, los rebajes (12) tienen nervios (13) que permiten una mayor solidez y aumentan la zona de contacto eléctrico entre las caras traseras de las placas cuando los colectores de alimentación son grandes.
Adicionalmente, la zona de los rebajes en la cara trasera de las placas para el suministro de gases puede tener cualquier forma, por ejemplo, cuadrada, rectangular, circular u ovalada, siempre que sirva para minimizar el área total de las placas.
En otra realización preferida, las placas finales de cada bloque comprendido en la pila de combustible modular tal como se describe en esta solicitud de patente, presentan unas pestañas (4, 5) con orificios (1 1 ) que facilitan la unión eléctrica con bloques contiguos. En otra realización preferida, la pila de combustible de la presente invención comprende alojamientos alrededor de las áreas activas (8) y los colectores generales (9) en la cara delantera de las placas, así como alrededor del sistema de suministro de gases de las caras traseras de las placas. Estos alojamientos permiten la colocación de juntas, sellos u otros medios de sellado para evitar el escape de los gases reactantes.
Con el objetivo de minimizar el riesgo de fugas de gases reactantes y simplificar el tiempo y las tareas de mantenimiento, la pila de combustible modular objeto de la presente invención consta preferiblemente de cinco tipos diferentes de placas monopolares o cuatro tipos en el caso de placas bipolares, para garantizar que cada celda individual, también llamada monocelda, quede perfectamente cerrada mediante tornillos. Los bloques pueden unirse entre sí mediante tornillos para obtener el voltaje y la potencia de la pila deseados. Al montar cada bloque se crean los colectores de entrada y salida para los dos gases.
En una realización preferida, las monoceldas comprendidas en la pila de combustible modular tal como se describe en esta solicitud de patente, comprenden una placa monopolar anódica y una placa monopolar catódica. El uso de placas monopolares facilita el cierre de cada monocelda individual y su sustitución en caso de ser necesario sin alterar el resto de las celdas del bloque.
En una realización aún más preferida, la placa monopolar catódica tiene canales (6) en la cara trasera, es decir, la cara opuesta de la placa al área de reacción química (7). Estos canales permiten la circulación de un fluido de refrigeración y, por ello, son especialmente ventajosos en pilas de combustible con áreas de reacción grandes, ya que éstas generan gran cantidad de calor que hay que extraer para mantener la temperatura de funcionamiento en los valores recomendados por los fabricantes de las MEAs.
En otra realización aún más preferida, los bloques de celdas (14) comprendidos en la pila de combustible de la presente invención, comprenden:
a) una placa monopolar anódica final,
b) al menos una placa monopolar anódica interna,
c) al menos una placa monopolar catódica interna par,
d) al menos una placa monopolar catódica interna impar, y
e) una placa monopolar catódica final,
donde las placas finales presentan pestañas (4, 5) con orificios (1 1 ) para unir bloques contiguos, y donde los orificios pasantes de una placa monopolar catódica interna par corresponden con los orificios roscados de una placa monopolar catódica impar y viceversa. Esta alternancia de orificios pasantes y roscados permite cerrar cada celda individualmente
Las placas pueden obtenerse por métodos de fabricación conocidos por el experto en la materia, por ejemplo, mediante mecanizado, moldeado, electroerosión o estampado, entre otros.
La pila de combustible modular objeto de la invención puede incorporar adicionalmente otros elementos en las placas de las pilas de combustible como por ejemplo:
- un alojamiento para la colocación de una resistencia eléctrica en el caso de que la pila sea de alta temperatura para facilitar el calentamiento de la pila y disminuir el tiempo de arranque,
placas terminales con los alojamiento para los tornillos de cierre, y/o placas colectoras de corriente que sirven para conectar la pila a la aplicación dada.
En otra realización preferida, la pila de combustible de la presente invención puede comprender tornillos distribuidos en la zona central de las placas terminales (17). Estos permiten mejorar el contacto eléctrico entre las caras delanteras de las placas y los sistemas membrana-electrodos.
En una realización aún más preferida, la pila de combustible tal como se describe en esta solicitud de patente comprende unas placas (19) para ayudar a transmitir la presión ejercida por los tornillos centrales (17) a las celdas de los diferentes bloques (14). En otra realización preferida, las placas comprendidas en la pila de combustible de la presente invención están fabricadas en un material seleccionado del grupo que consiste en metales, óxidos metálicos, compuestos poliméricos y grafito. En otra realización preferida, cuando se requieren condiciones de explotación de la pila, en particular presión y caudal de fluidos, con régimen de circulación "intermitente" del gas oxidante en los cátodos, el conducto de salida incorpora un sistema de control que permite, mediante una válvula de drenaje, el cierre del circuito durante un tiempo dado, haciendo que se sobrepresione ligeramente el cátodo. Esta operación permite que, al abrirse dicha válvula de drenaje, el gas arrastre las gotas de agua generadas por la reacción química de forma más eficiente. En el caso del ánodo, trabajando en régimen "cerrado", también se requiere un sistema de control mediante una válvula de drenaje que chequea el valor de la presión, y un sistema de purgado.
Debe entenderse que también forma parte de la presente invención el bloque de celdas (14) descrito en esta solicitud de patente.
En particular, también forma parte de la presente invención el bloque de celdas (14) tal como se describe en esta solicitud de patente que comprende:
a) una placa monopolar anódica final,
b) al menos una placa monopolar anódica interna,
c) al menos una placa monopolar catódica interna par,
d) al menos una placa monopolar catódica interna impar, y
e) una placa monopolar catódica final,
donde las placas finales presentan pestañas (4, 5) con orificios (1 1 ) para unir bloques contiguos, y donde los orificios pasantes de una placa monopolar catódica interna par corresponden con los orificios roscados de una placa monopolar catódica impar y viceversa.
A la vista de las figuras, y de acuerdo con la numeración adoptada, se puede observar en ellas un ejemplo de realización preferente de la invención, la cual comprende las partes y elementos que se indican y describen en detalle a continuación.
Así, tal y como se observa en la figura 2, podemos describir uno de los bloques que conforma una pila modular formada por placas monopolares. Concretamente, en este ejemplo de realización, en el cual el bloque está formado por 5 celdas, podemos ver los colectores generales de circulación de los gases reactantes (1 ), los rebajes practicados en las caras traseras (2) de las placas monopolares catódicas para facilitar la alimentación de éstos a las áreas de reacción química, los canales de alimentación o extracción de los gases (3), las pestañas que presentan las últimas placas ánodo (4) y cátodo (5) del bloque y que sirven para unir ese bloque con las placas correspondientes de los dos bloques contiguos, y los canales de refrigeración (6) que se forman al ensamblar las caras opuestas de las placas ánodo y cátodo.
En la figura 3 se muestran las dos caras de una placa monopolar cátodo, donde el gas reactante que circula por los colectores (1 ) pasa a través del rebaje practicado en la cara trasera (2) que comunica al colector general (1 ) con el canal (3), permitiendo el suministro del gas a las geometrías de flujo que están en las caras delanteras.
En las figuras 4, 5, 6, 7 y 8 se muestran las dos caras de los cinco tipos de placas diferentes que forman un bloque, sea cual sea el número de celdas. Como se observa en las figuras 4 y 5, las cuales representan las dos caras de placas monopolares anódicas, sus caras traseras (fig. 4b y 5b) son lisas, a diferencia de las placas monopolares catódicas, las cuales tienen unos canales (6) que se pueden emplear como refrigeración para mantener la temperatura de la pila en el rango recomendado por el fabricante de las MEAs. En su cara delantera (fig. 4a y 5a), alrededor de la zona de la geometría de flujo (7) donde se posicionan las MEAs, ambas placas presentan un alojamiento (8) donde se coloca una junta de material, o sello, deformable para evitar la fuga de gases reactantes al exterior, así como el cruce de éstos entre el electrodo cátodo y el ánodo. Por otra parte, las placas monopolares anódicas presentan alojamientos para juntas en la zona que rodea los colectores en la cara principal (9), mientras que lo mismo ocurre alrededor del sistema de alimentación de gases en la cara trasera de las placas cátodo (9) en las figuras 6 y 7. En este ejemplo los canales están agrupados en varios bloques porque la presencia de los orificios destinados a los tornillos de cierre de las celdas (10a, 10b) impide disponer de toda la superficie de la placa para esta función. La placa inicial anódica (figura 4) y la placa final catódica (figura 8) presentan orificios (1 1 ) en sus cuatro esquinas que permiten acoplar bloques entre sí o ensamblarlas con las placas colectoras de corriente si se trata de los bloques de los extremos de la pila.
Una vez que el gas llega a la zona de reacción, se distribuye a través de la geometría de flujo (7) que tenga la pila, por ejemplo, canales paralelos, interdigitados, del tipo "espina de pez" o en bloque serpentín-paralelo, y se difunde a través de las capas difusoras llegando a las capas catalíticas. En el caso del ánodo, el combustible, generalmente hidrógeno, se separa con ayuda de los centros de platino que actúan como catalizadores, en electrones y protones, atravesando estos últimos la membrana polimérica electrolítica. Los electrones por su parte, migran de nuevo hacia las placas para pasar así al cátodo de la siguiente celda, o aportar la energía eléctrica al consumidor. En la zona catódica los electrones se recombinan en el cátodo con los protones H+ y el 02, generando agua. El excedente de gases reactantes que no se consume totalmente sale de las placas por los canales hacia los colectores generales y de ahí se conducen fuera de la pila.
Llegados a este punto es importante detallar el proceso de ensamblaje de uno de los bloques, por ejemplo, de 5 celdas, comprendido en la pila de combustible objeto de la presente invención. Si se comienza con la placa ánodo final del bloque, como la mostrada en la figura 4, una vez que la MEA se posiciona en la zona de reacción sobre la geometría de flujo (7), en todos los agujeros roscados (10 a) de la misma se colocan arandelas fabricadas de un material que no conduzca la corriente eléctrica en los asientos mecanizados en la cara delantera. A modo de ejemplo, y sin que esto limite el alcance de la patente, estas arandelas pueden ser cerámicas, plásticas o fabricadas de polímeros resistentes a la temperatura de funcionamiento definida por el fabricante de la MEA.
A continuación, sobre ella se coloca una placa monopolar cátodo impar, como la mostrada la figura 7, con la cara delantera apoyada sobre la cara superior de la MEA, quedando la cara trasera con los canales de refrigeración (6) hacia arriba. Se colocan todas las arandelas en los asientos practicados alrededor de todos los agujeros pasantes (10 b) y se colocan los tornillos adecuados en ellos. Posteriormente, con ayuda de un destornillador, una llave dinamométrica, o cualquier otra herramienta útil se atornillan en los correspondientes orificios roscados de la placa ánodo final del bloque, quedando cerrada la primera celda. Debe hacerse notar, que el resto de agujeros roscados de la placa monopolar catódica (10 a) quedan libres. Asimismo, además de la presencia de agujeros roscados en lugar de pasantes, la placa monopolar ánodo final se diferencia de las que forman las celdas internas del bloque por ser algo más grande al no estar redondeados sus extremos, ya que en los mismos hay sendos orificios (1 1 ) que permiten su unión con la placa catódica final de otro bloque (si es un bloque intermedio), o con la correspondiente placa colectora de corriente en el caso que sea el bloque de uno de los extremos de la pila.
Una vez finalizado el proceso de cierre de la primera celda, se coloca una placa monopolar ánodo interna, como la mostrada en la figura 5, haciendo coincidir su cara trasera lisa sobre la cara con los canales de refrigeración (6) de la placa monopolar cátodo ya montada. De forma consecutiva, se posiciona una nueva MEA sobre la geometría de flujo (7), así como las arandelas en los asientos practicados alrededor de los tornillos pasantes que coinciden con los roscados de la placa cátodo anterior que quedaron libres. Luego se coloca una placa monopolar cátodo par, como la representada en la figura 6, de nuevo con la cara con la geometría de flujo (7) apoyada sobre la cara superior de la MEA, quedando la cara trasera con los canales de refrigeración (6) hacia arriba. Se colocan todas las arandelas en los asientos practicados alrededor de los agujeros pasantes (10 b) y se colocan los tornillos en ellos. Estos tornillos pasan a través de los orificios practicados en la placa monopolar ánodo (10 b) y se enroscan en los correspondientes de la placa monopolar cátodo de la celda anterior (10 a), tal y como ya se hizo en la celda anterior, con ayuda de un destornillador, una llave dinamométrica, o cualquier otra herramienta útil, quedando cerrada la segunda celda. En este caso, los orificios roscados de la placa monopolar cátodo vuelven a quedar libres, siendo su posición alterna con respecto a los de la placa monopolar cátodo impar de la celda anterior y de la siguiente.
Este proceso se repite para todas las celdas internas que presente el bloque. El bloque queda totalmente cerrado al enroscar los tornillos colocados en los agujeros pasantes de la placa monopolar cátodo final, como la representada en la figura 8, en los agujeros roscados de la placa monopolar cátodo de la celda inmediata anterior. Como ya se indicó, en el ejemplo que se presenta el bloque consta de 5 celdas y, por ello, la configuración de los agujeros de la placa cátodo final de bloque coincide con el de una celda impar. Al igual que sucedió con la placa monopolar ánodo final de bloque, la monopolar cátodo final es también más grande que la internas al no estar redondeados sus extremos, ya que en los mismos están los orificios (1 1 ) que permiten su unión con la placa anódica final de otro bloque (si es un bloque intermedio), o con la correspondiente placa colectora de corriente en el caso que sea el bloque de uno de los extremos de la pila.
En la figura 7 se muestra una vanante de las placas monopolares cátodo, donde la zona de rebaje (12) de los cuatro canales por donde circulan los gases reactantes y que permite la alimentación de gases hacia la geometría de flujo, dispone de unos nervios (13). Este sistema permite, a las pilas que cuenten con canales de alimentación grandes, darle una mayor solidez y aumentar la zona de contacto eléctrico entre las caras traseras de ambas placas.
Finalmente, en la figura 9 se muestra un ejemplo de montaje final de una pila formada por 8 bloques de celdas (14), donde se observan los orificios en los que se colocan los conectores para la alimentación y salida de los gases reactantes (15). Además, se detalla el sistema de cierre, formado por los tornillos externos (16) que son los que compactan la pila, y un número determinado de tornillos centrales (17) que ayudan a mejorar el contacto eléctrico en la zona central que coincide con la de reacción química. En la figura se puede ver también la presencia de las placas colectoras de corriente (18) que disponen de unas pestañas donde se sujetan los cables de conexión eléctrica entre la pila y la aplicación dada, las placas transmisoras de presión (19) que como su nombre indica transmiten la fuerza de los tornillos centrales a todas las placas, y las placas terminales (20). BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Para complementar la descripción y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de figuras en donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1 muestra un dibujo isométrico que esquematiza el montaje de una pila formada por 6 bloques de 5 celdas cada uno y un detalle ampliado de uno de los bloques de 5 celdas totalmente cerrado.
La figura 2 muestra un bloque de 5 celdas formado por placas monopolares con unas aberturas rectangulares grandes que forman los colectores de gases y otras pequeñas para la alimentación de los mismos a las geometrías de flujo, donde la cara trasera de las placas ánodo es lisa y la de las placas cátodo tiene una serie de canales que se emplean como sistema de refrigeración.
La figura 3 muestra una imagen aumentada de la zona de suministro de gases de una placa monopolar cátodo tanto de la cara delantera de reacción química (fig. 3a) como la cara trasera de refrigeración (fig. 3b), donde se detalla el rebaje practicado en la cara trasera que comunica el colector general con el canal de alimentación para permitir la llegada de los gases reactantes hasta la geometría de flujo.
La figura 4 muestra las dos caras de la placa monopolar ánodo final del bloque (fig. 4a corresponde a la cara delantera y fig. 4b corresponde a la cara trasera) donde se observan el sistema de circulación de gases formado por los colectores generales y las ranuras de entrada y salida a las geometrías de flujo, el sistema de juntas empleado para evitar las fugas de gases y los orificios con rosca donde enroscarán los tornillos desde una placa monopolar cátodo impar que facilitan el correcto cierre de la primera celda.
La figura 5 muestra las dos caras de una placa monopolar ánodo que forma las celdas individuales internas (fig. 5a corresponde a la cara delantera y fig. 5b corresponde a la cara trasera), donde se observa el sistema de circulación de gases formado por los colectores generales y los canales de entrada y salida de los gases a las geometrías de flujo, el sistema de juntas empleado para evitar las fugas de gases y los orificios pasantes, de los cuales sólo se usa la mitad en dependencia de la posición que ocupe la celda en el módulo, por donde pasan los tornillos que facilitan el correcto cierre de la celda. La figura 6 muestra las dos caras de una placa monopolar cátodo par que forma las celdas pares internas (fig. 6a corresponde a la cara delantera y fig. 6b corresponde a la cara trasera), con el sistema de circulación de gases formado por los colectores generales, los rebajes en la cara trasera y los canales de entrada y salida de los gases a las geometrías de flujo, el sistema de juntas empleado para evitar las fugas de gases y los orificios, unos roscados y otros pasantes, para colocar los tornillos que facilitan el correcto cierre de las celdas.
La figura 7 muestra las dos caras de una placa monopolar cátodo impar que forma las celdas impares internas, donde se detalla una vanante en el sistema de alimentación de los gases reactantes en el cual se coloca una serie de nervios en el rebaje practicado en la cara trasera.
La figura 8 muestra las dos caras de la placa monopolar cátodo final del bloque (fig. 8a corresponde a la cara delantera y fig. 8b corresponde a la cara trasera) donde se observan el sistema de circulación de gases formado por los colectores generales y las ranuras de entrada y salida a las geometrías de flujo, el sistema de juntas empleado para evitar las fugas de gases y los orificios pasantes donde se colocarán los tornillos que facilitan el correcto cierre de la última celda, los cuales enroscan en la placa monopolar cátodo par anterior.
La figura 9 muestra el dibujo isométrico del montaje final de una pila formada por 8 bloques de celdas y donde se observa el sistema de cierre formado por las placas terminales, los tornillos externos, los tornillos centrales, las placas colectoras de corriente y las placas transmisoras de presión.
La figura 10 muestra la curva de polarización obtenida para un bloque de 5 celdas y que se describe en el ejemplo de realización del objeto de la invención.
EJEMPLO DE REALIZACIÓN
El ejemplo que a continuación se describe, no debe entenderse como una limitación del alcance de la invención.
Para este ejemplo, se montó un pequeño stack formado por un único bloque de 5 celdas con arquitectura de tipo cátodo cerrado. Para facilitar el diseño y ahorrar costes, se emplearon placas monopolares refrigeradas. En este caso, la geometría de flujo (espina de pez) se mecanizó únicamente en la cara principal de cada placa, mientras que la otra cara fue diferente dependiendo si se trataba de una placa ánodo o cátodo. La cara trasera de las placas ánodo eran lisas, mientras que en las caras traseras de las placas cátodo se mecanizaron los canales de refrigeración. Al montarse las celdas, los canales de refrigeración se formaron entre la cara trasera lisa de la placa ánodo de una celda y la cara trasera que tiene mecanizados los canales de la placa cátodo de la celda contigua.
Las placas se fabricaron en aluminio y, para evitar la corrosión se les depositó una capa de nitruro de cromo de 2 μηι de espesor. Para poder mecanizar los canales de refrigeración y el rebaje del sistema de alimentación de gases en las caras traseras de las placas monopolares cátodo, se eligió un espesor para las mismas de 5 mm, mientras que las monopolares anódicas se mecanizaron en planchas con un espesor de 2 mm. Los canales de refrigeración se distribuyeron en 6 bloques de 4 canales cada uno, todos con una profundidad de 2,5 mm y un ancho de 5,5 mm, separados por nervios de 1 mm espesor.
El área activa de las MEAs empleadas en esta pila (605 cm2) se cubrió con una geometría de flujo de tipo "espina de pez" con 46 canales de una longitud de 741 mm, un ancho de 1 mm y una profundidad también de 1 mm los cuales se mecanizaron en las caras principales de los placas monopolares. Para minimizar la fuerza de apriete de los tornillos, se decidió rebajar toda la superficie de la geometría de flujo 0,3 mm, consiguiendo así posicionar fácilmente la MEA en la zona de flujo de los gases reactantes. Por otra parte, para impedir las fugas de gases, se mecanizó un pequeño canal rectangular de 1 ,2 mm de ancho y 0,3 mm de profundidad rodeando todas las zonas más propensas (colectores de gases y área activa) en la que se depositó una junta de la silicona Loctite® 5910 que soporta la alta temperatura de trabajo y que actúa como sello. La deposición de la silicona se hizo con un robot programable, el cual permite variar las dimensiones del cordón en función de la aguja empleada, la velocidad de desplazamiento y la presión de inyección.
La cara delantera de las placas monopolares anódicas tenían un rebaje de una profundidad de 0,4 mm donde se alojó un hilo de resistencia eléctrica. De esta forma, se permite un calentamiento por conducción más rápido y uniforme de toda la superficie de la MEA, logrando la temperatura de trabajo (160°C) en breve tiempo, con lo que se minimizaba el tiempo de arranque de la pila. Esta solución se limita a colocar la resistencia dentro del canal mecanizado, quedando el hilo comprimido entre las caras principales de las dos placas monopolares al ser montada cada celda.
Para garantizar de forma simultánea un adecuado contacto eléctrico entre todos los elementos y el correcto cierre de la pila se colocaron 12 tornillos externos y se distribuyeron otros 13 tornillos en la parte central de las placas terminales. El par de apriete aplicado a todos los tornillos que cierran las celdas individuales fue de 1 ÷1 ,5 N-m, mientras que tanto los tornillos externos como los centrales de las placas terminales se les aplicó un par de 15 N-m. Una vez cerrada la pila, se verificó que no existían fugas de gases al exterior ni tampoco cruce de gases entre ánodo y cátodo, haciendo circular nitrógeno a una presión un poco superior a la presión final de trabajo.
Cuando se terminó el proceso de ensamblaje y cierre de la pila, tal y como ha descrito anteriormente, se realizó el acondicionamiento del dispositivo siguiendo el protocolo establecido. En este caso, la pila se mantuvo funcionando durante más de 10 horas en condiciones estacionarias a 160°C y con un caudal de hidrógeno de 24,8 Nl/min y otro de 34,7 Nl/min de oxígeno, los cuales corresponden a densidad de corriente de 0,2 A/cm2, la cual se ajusta mediante una carga electrónica dinámica, y una estequiometría de 1 ,25 y 3,5, respectivamente. Terminado el acondicionamiento, se comenzó a variar la corriente demanda al bloque con ayuda de la carga electrónica dinámica, y se obtuvieron los correspondientes valores de voltaje. La curva de polarización obtenida para los parámetros óptimos de trabajo (presión manométrica de 0,8 bar en cátodos y 0,5 en ánodos, así como una estequiometría de 1 ,2 para el H2 y de 4 para el 02) se muestra en la figura 10. Como se puede ver, se obtiene una potencia máxima de 650 W, a una corriente de 330 A (0.545 A/cm2). Por tanto, para una pila de 8 bloques, como la mostrada en la figura 9, la potencia producida en estado estacionario será cercana a los 5,2 kW.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Pila de combustible modular caracterizada porque comprende:
i) al menos dos bloques de celdas (14), comprendiendo cada uno de ellos de forma independiente al menos dos monoceldas, formadas éstas por una placa anódica plana, una placa catódica plana y al menos un área de reacción química situada entre ambas (7);
¡i) un sistema de suministro de gases reactantes desde los colectores generales hasta el área de reacción química; y
i¡¡) medios para cerrar cada celda y acoplarlas entre sí.
2. Pila de combustible modular según la reivindicación 1 , donde la pila es tipo PEM.
3. Pila de combustible modular según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, donde las placas que conforman un bloque comprenden orificios roscados (10 a) y pasantes (10 b) alternados.
4. Pila de combustible según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde el sistema de suministro de gases reactantes tiene lugar desde la parte trasera de las placas, donde los colectores generales (1 ) se comunican mediante un rebaje (2) hasta las geometrías de flujo (7) de las caras delanteras de las placas.
5. Pila de combustible la reivindicación 4, donde los rebajes del sistema de suministro de gases (12) tienen nervios (13).
6. Pila de combustible según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde las placas finales de cada bloque presentan unas pestañas (4, 5) con orificios (1 1 ).
7. Pila de combustible según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, que comprende alojamientos alrededor de las áreas activas (8) y los colectores generales (9) en la cara delantera de las placas, así como alrededor del sistema de suministro de gases de las caras traseras de las placas.
8. Pila de combustible modular según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, donde las monoceldas comprenden una placa monopolar anódica y una placa monopolar catódica.
9. Pila de combustible modular según la reivindicación 8, donde la placa monopolar catódica tiene canales (6) en la cara trasera.
10. Pila de combustible modular según una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 9, donde los bloques de celdas (14) comprenden:
a) una placa monopolar anódica final,
b) al menos una placa monopolar anódica interna,
c) al menos una placa monopolar catódica interna par,
d) al menos una placa monopolar catódica interna impar, y
e) una placa monopolar catódica final,
donde las placas finales presentan pestañas (4, 5) con orificios (1 1 ) para unir bloques contiguos, y donde los orificios pasantes de una placa monopolar catódica interna par corresponden con los orificios roscados de una placa monopolar catódica impar y viceversa.
1 1. Pila de combustible según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, que comprende tornillos distribuidos en la zona central de las placas terminales
(17).
12. Pila de combustible según la reivindicación 1 1 , que comprende unas placas (19) que ayudan a transmitir la presión ejercida por los tornillos centrales (17) a las celdas de los diferentes bloques (14).
13. Pila de combustible según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, donde las placas están fabncadas en un material seleccionado del grupo que consiste en metales, óxidos metálicos, compuestos poliméricos y grafito.
14. Pila de combustible según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, donde los conductos de salida de los gases reactantes que no se consumen presentan sendas válvulas de drenaje.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2286482A (en) * 1994-02-15 1995-08-16 University Court Of Napier University A plurality of fuel cells stacked in modular configuration and fuel cell stack arrays
US20030096147A1 (en) * 2001-11-21 2003-05-22 Badding Michael E. Solid oxide fuel cell stack and packet designs
US20050130016A1 (en) * 2003-12-12 2005-06-16 Yang Jefferson Y. Sealing structure for sealing separator plates of fuel cell modules

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