ES2359869T3 - Pila de combustión constituida por una pluralidad de celdas elementales conectadas en serie mediante colectores de corriente. - Google Patents
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Abstract
Pila de combustible constituida por un soporte poroso (12) sobre el que está dispuesta una pluralidad de celdas elementales (11, 11a, 11b), adyacentes, cada una de ellas comprende: - un montaje formado por un primer electrodo (13, 13a, 13b), de una membrana electrolítica (14, 14a, 14b) y de un segundo electrodo (15, 15a, 15b) - y por colectores de corriente primero y segundo (16, 16a, 16b y 17, 17a, 17b), estando dichas celdas elementales (11, 11a, 11b) conectadas en serie mediante elementos de conexión dispuestos entre dos celdas adyacentes (11a, 11b) para conectar el primer colector de corriente (16a) de una celda (11a) al segundo colector de corriente (17b) de la celda adyacente (11b), pila caracterizada porque: - el primer colector de corriente (16a) está constituido por una película de base delgada constituida por una matriz porosa eléctricamente aislante en la que se incorpora un material eléctricamente conductor y está colocado sobre el soporte poroso (12), - cada elemento de conexión está formado por una rama (20) constituida por dicho material eléctricamente conductor prolongando perpendicularmente la película de base delgada y unida al segundo colector de corriente (17b) de dicha celda adyacente (11b), estando dicha rama (20) en contacto con la membrana electrolítica (14, 14a, 14b) de dichos montajes, en todo el espesor de dicha membrana - y una zona (18a), constituida por un material poroso eléctricamente aislante y colocada sobre el soporte poroso (12), separa ambas películas delgadas de base de dos celdas adyacentes (11a, 11b), siendo el material poroso eléctricamente aislante de la zona (18a) idéntico al que constituye la matriz porosa de dichas películas delgadas de base.
Description
Pila de combustión constituida por una
pluralidad de celdas elementales conectadas en serie mediante
colectores de corriente.
Esta invención se refiere a una pila de
combustible constituida por un soporte poroso sobre el que está
dispuesta una pluralidad de celdas elementales adyacentes, cada una
de ellas comprende;
- -
- un montaje, formado por un primer electrodo, una membrana electrolítica y un segundo electrodo
- -
- y por colectores de corriente primero y segundo,
estando dichas celdas elementales conectadas en
serie mediante elementos de conexión dispuestos entre dos celdas
adyacentes para conectar el primer colector de corriente de una
celda al segundo colector de corriente de la célula adyacente.
Esta invención se refiere igualmente a un
procedimiento de fabricación de pila de combustible.
La tensión suministrada por una pila de
combustible unitaria, es decir, una pila de combustible constituida
por una celda elemental constituida por un montaje
Electrodo-Membrana-Electrodo (o
montaje EME) con colectores de corriente asociados, no es, por lo
general, suficiente para utilizar en el ámbito de los dispositivos
portátiles. En efecto, algunas aplicaciones que podrían utilizar
pilas de combustible como fuente de energía necesitan tensiones
elevadas, por ejemplo, superiores a algunos voltios. Por ello, es
necesario utilizar una pila de combustible constituida por una
pluralidad de celdas elementales conectadas en serie, estando
conectado el ánodo de una celda elemental al cátodo de la celda
adyacente.
Habitualmente, las celdas elementales se
fabrican por separado antes de asociarse en serie entre sí. En el
caso de pilas de combustible conformadas como capas delgadas sobre
un soporte plano (pilas denominadas igualmente como pilas planares),
los conjuntos EME, por lo general, se realizan por separado sobre
soportes planos, se recortan uno por uno, y posteriormente se
asocian en serie entre sí. Un procedimiento de este tipo lleva
tiempo, y necesita la adición de colectores de corriente, soldados o
pegados, en los ánodos y cátodos de los montajes para permitir la
puesta en serie de las celdas.
En el artículo "microfabricated fuel cells"
(Electrochimica Acta 48 (2003) 2869-2877), J.S.
Wainright y col. proponen una pila de combustible constituida por
una pluralidad de celdas conectadas en serie, formadas sobre una
película porosa de nilón dispuesta sobre alúmina en la que se han
perforado canales. Los colectores de corriente anódicos se forman
por depósito mediante impresión de una tinta. Adicionalmente, se
colocan juntas aislantes de polímero no poroso entre los colectores
de corriente anódicos, y a continuación se fabrica el resto de la
pila. La puesta en serie de las pilas se lleva a cabo mediante la
impresión de una tinta conductora. Sin embargo, con esta solución,
las membranas electrolíticas se inflan y se despegan del sustrato en
atmósfera húmeda (100% HR). Ahora bien, este despegado provocas
fugas y la parada de la pila. La escasa resistencia mecánica de las
membranas está relacionada por una parte con el mal contacto entre
las juntas aislantes y los colectores anódicos, originando de esta
forma huecos, y por otra parte con una mala adherencia de las
membranas electrolíticas sobre las juntas aislantes.
La patente US5863672 describe una geometría de
pila de combustible distinta que permite aumentar artificialmente la
tensión elemental. Como se muestra en la figura 1, una pila 1 de ese
tipo está constituida por varias celdas elementales 2 dispuestas
unas al lado de las otras. Cada celda 2 contiene un montaje de un
ánodo 3 y un cátodo 4 colocados entre una membrana electrolítica 5.
Las celdas 2 están separadas entre sí por zonas eléctricamente
aislantes 6 y están conectadas entre sí por piezas de conexión 7
eléctricamente conductoras. Cada una de las piezas de conexión 7
contiene una zona central 8 que tiene caras primera y segunda 8a y
8b respectivamente revestidas por capas primera y segunda 9 y 10
teniendo cada una un extremo en contacto respectivamente con el
ánodo 4 de una primera pila y el cátodo 6 de la pila adyacente a la
primera pila mencionada. Una pila de ese tipo y, en particular, las
piezas de conexión 7 son difíciles de realizar, especialmente a
pequeña escala. Necesita, igualmente, una etapa de ensamblaje del
montaje de las celdas puestas en serie entre varios elementos
diferentes, tales como conductores de corriente externos y placas
distribuidoras de gas dispuestas a una
\hbox{parte y otra de
dicho montaje. Finalmente, persisten los problemas de
estanqueidad.}
La solicitud de patente US 2006/0228605 propone
otra solución. En esta solicitud de patente, se forma una membrana
electrolítica por impregnación de un soporte poroso de un material
conductor iónico. El soporte poroso es un tejido cuyas fibras de
urdimbre son fibras continuas de material eléctricamente aislante y
las fibras de trama son alternativamente fibras de material aislante
y fibras de material eléctricamente conductor. Se deposita una junta
en el borde del tejido, y los ánodos y los cátodos se depositan a
ambas partes de la membrana así constituida. Igualmente, un colector
de corriente se pone en contacto con el ánodo situado en uno de los
extremos de la pila y otro colector de corriente se pone en contacto
con el cátodo situado en el otro extremo de la pila. Las zonas
eléctricamente activas del soporte poroso delimitan y aseguran, de
esta forma, la conexión en serie de una pluralidad de celdas
elementales.
\newpage
\global\parskip0.920000\baselineskip
Esta solución permite evitar las fugas de
combustible ya que el soporte poroso está completamente impregnado
de material conductor iónico. Sin embargo, la membrana así formada
debe tener un espesor mínimo para asegurar la resistencia mecánica
del montaje. Este espesor es de aproximadamente 20 micrómetros.
Ahora bien, para aumentar las densidades de potencia, las membranas
deben tener el menor espesor posible, preferentemente entre 1 y 10
micrómetros. Adicionalmente, las fibras utilizadas para conformar el
soporte poroso ocupan un determinado volumen que perturba la
difusión de los protones a través del electrolito. En efecto, la
superficie de una zona eléctricamente conductora, por lo general
superior a 2 mm, constituye una superficie no despreciable que no se
puede utilizar para la difusión de los protones. Finalmente, las
fibras aislantes y las fibras conductoras son respectivamente
continuamente aislantes y continuamente conductoras, de
\hbox{manera que la puesta en serie de las celdas solo se puede
hacer en una sola alineación.}
El documento JP61121265 propone aumentar la
tensión de salida de una pila de combustible sin aumentar su peso,
conectando a un mismo nivel celdas elementales en serie. Cada celda
elemental está constituida por un apilamiento formado por una
primera capa delgada de difusión, permeable a gases y colocada del
lado del combustible, una capa catalítica, una matriz a base de
electrolito, una capa catalítica y una capa delgada de difusión,
permeable a gases y colocada del lado del oxidante. Adicionalmente,
la primera capa delgada de difusión de una celda elemental está
conectada a la segunda capa delgada de difusión de una celda
elemental adyacente por medio de un elemento de conexión, formado
por el mismo material constituyente de las primera y segunda capas
delgadas de difusión, pero que contiene, adicionalmente, partículas
inorgánicas (por ejemplo partículas de fosfato de circonio),
destinadas a convertir el elemento en estanco para gases.
Adicionalmente, las primeras (o segundas) capas delgadas de difusión
de dos celdas elementales adyacentes están separadas entre sí por
una parte de la matriz a base de electrolito.
La solicitud de patente
WO-A-2007/020242 describe un núcleo
de pila que comprende al menos una membrana polimérica de material
compuesto formada por una alternancia de primeros y segundos
segmentos estancos para gases, que son respectivamente conductores
iónicos y conductores electrónicos, una sucesión de ánodos y una
sucesión de cátodos situados respectivamente sobre las caras primera
y segunda opuestas de la membrana. Los segmentos estancos para
gases, conductores electrónicos, conectan el ánodo de una celda con
el cátodo de una celda adyacente. Pueden, adicionalmente, realizarse
mediante la introducción de partículas electrónicamente conductoras
en una matriz porosa, realizando posteriormente un tratamiento que
permite reblandecer el polímero que constituye la matriz y de esta
forma colmatar los poros de dicha matriz, volviendo de esta forma
dichos segmentos estancos para gases. La matriz porosa puede ser un
polímero desprovisto de cualquier propiedad de conducción iónica
(por ejemplo un politetrafluoroetileno tipo Teflón) o bien un
polímero conductor iónico intrínseco.
El conjunto de soluciones actuales para la
puesta en serie de celdas elementales, sin tener que recurrir al
recorte y pegado de dichas celdas, se enfrenta a problemas de
resistencia mecánica:
- -
- bien a causa de la membrana electrolítica que se despega,
- -
- bien debido a los montajes EME y más concretamente de la membrana que debe tener un espesor mínimo demasiado alto para que sea compatible con densidades de potencia elevadas.
Adicionalmente, para una superficie de pila
dada, esta está compartida entre la superficie ocupada por el
conjunto de celdas elementales ("superficie activa") y la
superficie ocupada por las zonas aislantes y/o las zonas conductoras
("superficie inactiva"). Ahora bien, en las soluciones
anteriormente propuestas, la parte de "superficie activa" es
relativamente débil, y esta parte es tanto más débil cuando el
número de células es importante, lo que resulta ser incompatible
para aplicaciones destinadas a la alimentación de dispositivos
portátiles.
La invención tiene por objeto una pila de
combustible y un procedimiento de fabricación de una pila de
combustible que resuelva los inconvenientes de la técnica
anterior.
Más concretamente, la invención tiene por objeto
una pila de combustible que pueda alcanzar tensiones elevadas y
concretamente tensiones compatibles para aplicaciones destinadas a
la alimentación de dispositivos portátiles, siendo al mismo tiempo
fácil de realizar y que presente una buena resistencia mecánica y
una buena estanqueidad.
La invención tiene por objeto igualmente
proponer un procedimiento de fabricación fácil de poner en práctica
para obtener una pila de combustible que pueda alcanzar tensiones
elevadas y concretamente tensiones compatibles para aplicaciones
destinadas a la alimentación de dispositivos portátiles, siendo al
mismo tiempo fácil de realizar y que presente una buena resistencia
mecánica y una buena estanqueidad.
Según la invención, este objeto se consigue
mediante las reivindicaciones adjuntas.
Otras ventajas y características resultarán más
evidentes tras la descripción que sigue a continuación de las
realizaciones concretas de la invención facilitadas a título de
ejemplos no limitantes y representadas en los dibujos adjuntos, en
los que:
- -
- la figura 1 representa una pila de combustible según la técnica anterior.
\newpage
\global\parskip1.000000\baselineskip
- -
- la figura 2 representa, esquemáticamente y en sección, una realización particular de una pila de combustible según la invención.
- -
- las figuras 3 a 5 representan, esquemáticamente y en sección, etapas diferentes de un primer procedimiento de fabricación de la pila de combustible según la figura 2,
- -
- las figuras 6 a 9 representan, esquemáticamente y en sección, etapas diferentes de un segundo procedimiento de fabricación de la pila de combustible según la figura 2.
Una pila de combustible según la invención está
constituida por una pluralidad de celdas elementales adyacentes
conectadas en serie mediante elementos de conexión. La pila es,
ventajosamente, una pila de combustible planar.
En una realización particular mostrada en la
figura 2, dos celdas elementales están colocadas lado a lado sobre
un soporte poroso 12 que tiene caras superior e inferior 12a y 12b,
preferentemente planas.
El soporte poroso 12 está constituido, por
ejemplo, por un material poroso. Igualmente, puede estar formado por
un material no poroso en el que se han practicado canales. La
porosidad del material poroso o el tamaño de los canales practicados
en el material no poroso es, en cualquier caso, suficiente para
permitir la difusión de los fluidos circulantes por la pila de
combustible y especialmente del fluido combustible. El soporte
poroso 12, además, es eléctricamente aislante y ventajosamente tiene
un espesor comprendido entre 0,1 mm y 2 mm. Por ejemplo, puede estar
constituido de un material seleccionado entre materiales cerámicos,
polímeros, silicio y carburo de silicio.
Las dos celdas se han denominado respectivamente
11a y 11b en la figura 2, estando la celda 11a situada a la
izquierda de la figura 2 (denominada igualmente primera celda) y
estando la celda 11b a la derecha de la figura 2 (denominada
igualmente segunda celda). Además, de forma general, en lo sucesivo
de la memoria descriptiva, las referencias seguidas de la letra
"a" se aplican a los elementos constitutivos de la celda 11a
representada en la figura 2, mientras que las referencias seguidas
de la letra "b" se aplican a los elementos constitutivos de la
celda 11b.
Por claridad, cuando la descripción se aplica
indiferentemente a ambas celdas 11a y 11b así como a sus elementos
constitutivos, se omitirán los índices "a" y "b". Así, a
modo de ejemplo, las celdas 11a y 11b y toda celda adicional, se
denominarán 11.
Cada célula elemental 11 contiene:
- -
- un montaje formado por un primer electrodo 13, por ejemplo un ánodo, una membrana electrolítica 14 ventajosamente sólida y un segundo electrodo 15, por ejemplo un cátodo
- -
- y por colectores de corriente primero y segundo 16 y 17, asociados respectivamente a los electrodos primero y segundo 13 y 15.
Más concretamente, para cada célula elemental
11, el primer colector de corriente 16 de dicha celda 11 recubre una
parte de la cara superior 12a del soporte poroso 12. El primer
colector 16 está rodeado de zonas eléctricamente aislantes 18 que
tienen, preferentemente, un espesor igual a la de los primeros
colectores de corriente 16. El primer electrodo 13 recubre una parte
del primer colector de corriente 16 con el que está asociado y la
membrana electrolítica 14 está colocada sobre el conjunto. Así, la
membrana electrolítica 14 recubre, por su parte inferior:
- -
- el primer electrodo 13,
- -
- la parte del primer colector de corriente 16 no recubierto por el primer electrodo 13 y las zonas aislantes 18 rodean el primer colector de corriente 16. Además, el segundo electrodo 15 y el segundo colector de corriente 17 están dispuestos sobre la parte superior de la membrana electrolítica 14 de cada celda 11. Así, en la figura 2, el segundo electrodo 15 está colocado sobre la membrana electrolítica, mientras que el segundo colector de corriente 17 está parcialmente dispuesto sobre la membrana electrolítica 14 y parcialmente sobre el segundo electrodo 15. Adicionalmente, el segundo electrodo 15 está dispuesto respecto del primer electrodo 14 y está separado del primer electrodo 14 por la membrana electrolítica 14.
Adicionalmente, las dos celdas elementales
adyacentes 11a y 11b están conectadas en serie mediante un elemento
conductor de material eléctricamente conductor. El elemento de
conexión está situado entre las dos celdas adyacentes 11a y 11b.
Este asegura, mediante colectores de corriente, la conexión de la
primera celda 11a a la segunda celda 11b, que está adyacente a la
primera celda 11a,
El elemento de conexión forma parte, junto al
primer colector de corriente 16, de un elemento de unión 19, en
forma de L invertida en relación a un eje perpendicular al soporte
12 (eje vertical en la figura 2).
El elemento de unión 19 está constituido, en
efecto, por dos partes cada una de ellas constituida por un material
común, eléctricamente conductor.
La primera parte es una película de base
delgada, dispuesta sobre la cara superior 12a del soporte poroso 12
y que constituye el primer colector de corriente 16a de la primera
celda 11a. La película de base delgada es una película porosa, lo
que permite la difusión del combustible a través del primer colector
de corriente 16a y que incorpora un material eléctricamente
conductor.
La segunda parte es una rama 20, que prolonga
perpendicularmente el primer colector de corriente 16a y que
constituye el elemento de conexión. La rama 20 está constituida por
el mismo material que el material eléctricamente conductor
incorporado en la película de base delgada. Adicionalmente, si el
material de la rama 20 es un material poroso y si la membrana
electrolítica 14 está formada mediante secado de un material
conductor iónico depositado en forma líquida, el material conductor
iónico puede penetrar en el interior de los poros de la rama 20, de
manera que forme una membrana electrolítica continua de una celda
11a a otra celda adyacente 11b, lo que favorece la resistencia
mecánica de la membrana 14.
La rama 20 del elemento de unión 19 tiene,
preferentemente, una longitud I superior o igual al espesor E de los
apilamientos respectivamente formados por el primer colector de
corriente 16a o 16b, el primer electrodo 13a o 13b y la membrana
electrolítica 14a o 14b, las celdas primera y segunda 11a y 11b. La
longitud I de la rama 20 está comprendida, por ejemplo, entre 1
\mum y 60 \mum, mientras que la longitud L de la de la rama 20
puede estar comprendida entre 1 \mum y 2 mm. En la figura 2, una
parte de la rama 20 sale de los dos montajes y puede conectarse al
segundo colector de corriente 17b de la segunda celda 11b.
Adicionalmente, el segundo colector de corriente 17b está en
contacto directo con la rama 20 del elemento de unión 19. La rama 20
podría, sin embargo, estar conectada al segundo colector de
corriente 17b por otros medios, como un hilo conductor.
Adicionalmente, la rama 20 está en contacto con la membrana
electrolítica 14a y 14b de los dos montajes de células adyacentes
11a y 11b, en todo el espesor de dicha membrana. Así, la rama 20 no
está en contacto con uno de los electrodos de ambos montajes.
Adicionalmente, no está en contacto con el segundo colector de
corriente 17a de la primera celda 11a. Los dos primeros colectores
de corriente 16a y 16b de ambas celdas adyacentes 11a y 11b, además,
están separadas por zonas aislantes 18 (zona señalada como 18a en la
figura 2).
Así, el elemento de unión 19 asegura, gracias a
la película de base delgada 16a, la función de colector de corriente
para la primera celda 11a y permite, gracias a la rama 20, la puesta
en serie de dicha celda 11a con su vecina, la segunda celda 11b de
la figura 2.
En la figura 2, la pila de combustible contiene
igualmente un elemento de unión suplementario 21, que tiene una
estructura idéntica a la del elemento de unión 19. La película de
base de dicho elemento de unión 21 está constituida por el primer
colector de corriente 16b de la segunda celda 11b, que está
prolongado perpendicularmente por una rama (o elemento de conexión)
22, cuya longitud 1 es superior o igual al espesor E.
La rama 22 del elemento de unión suplementario
21 puede utilizarse para conectar el primer colector de corriente
16b de la segunda celda 11b al segundo colector de corriente de una
celda suplementaria adyacente (no representa en la figura 2).
La rama 22 pueda igualmente, como se muestra en
la figura 2, estar conectada a uno de los dos bornes de la pila de
combustible, si la segunda celda 11b resulta ser una célula
elemental del extremo, es decir una de las celdas colocadas en un
extremo de la cadena de celdas elementales que forman la pila. Si
los primeros colectores de corriente 16a y 16b son, ventajosamente,
colectores de corriente anódicos, la rama 22, como se representa en
la figura 2, está conectada al borne negativo de la pila. En ese
caso, el elemento de unión suplementario 21 se denomina elemento de
unión de extremo.
De manera análoga, el segundo colector 17a de la
primera celda 11a puede conectarse al primer colector de corriente
de otra celda adyacente (no representado en la figura 2), mediante
otro elemento de unión. Así, el segundo colector 17a puede, como se
ilustra en la figura 2, estar conectado al otro borne de la pila
(borne positivo en la figura 2), si la primera celda 11a es una de
las celdas elementales del extremo.
El material eléctricamente conductor que forma
los elementos de conexión (o ramas) 20 y 22 e incorporado en los
primeros colectores de corriente 16a, 16b, por ejemplo, se escoge
entre un metal, carbono, o un material tal como una tinta conductora
que contiene partículas metálicas o nanotubos de carbono, y sus
mezclas.
Los primeros colectores de corriente
constituidos por las películas delgadas de base porosa 16a, 16b
están constituidos por una matriz porosa, eléctricamente aislante,
tal como una cerámica, un polímero, silicio o carburo de silicio, y
en la que se ha incorporado el material eléctricamente conductor.
Pueden, igualmente, realizarse por impregnación de una pasta (por
ejemplo por serigrafía) o una tinta (por ejemplo por impresión con
chorro de tinta, por un sistema de administración micrométrica o
"microdispensación", por pulverización) que contiene partículas
metálicas tales como oro, acero inoxidable, cobre, aluminio, o
partículas de carbono o su mezcla. Igualmente pueden realizarse
mediante deposición física en fase vapor (PVD) o deposición química
en fase vapor (CVD) o cualquier otra técnica derivada.
Adicionalmente, como los primeros colectores de corriente son
porosos, esta porosidad puede obtenerse directamente por formación
de películas delgadas de base o tras una etapa de secado o de
combustión del polímero, del carbono..., por ejemplo por
calentamiento local, por ejemplo aplicación de un haz láser o de un
haz infrarrojo o por tratamiento térmico en un horno o por
combustión local.
Las zonas aislantes 18, colocadas sobre el
soporte poroso 12 y que rodean los primeros colectores de corriente
16a y 16b, están constituidas por material poroso eléctricamente
aislante igualmente en la composición de los primeros colectores de
corriente 16a y 16b. El espesor de las zonas aislantes 18 está
ventajosamente comprendido entre 0,1 \mum y 40 \mum. Además,
pueden realizarse mediante las técnicas utilizadas en el campo de la
cerámica (serigrafía, colada en banda), la plasturgia o la
microelectrónica.
Una pila de combustible de este tipo está
ventajosamente fabricada realizando los elementos de unión 19, 21
separados entre sí por las zonas 18a antes de realizar los montajes
de las celdas elementales 11a, 11b y los segundos colectores de
corriente 17a, 17b de la pila. Los elementos de unión 19, 21
concretamente se realizan:
- -
- formando, sobre el soporte poroso (12), los primeros colectores de corriente separados por las zonas 18, 18a
- -
- y formando las ramas 20, 22 prolongando perpendicularmente dichas películas delgadas, estando formadas dichas ramas a partir del mismo material eléctricamente conductor.
Así, las zonas aislantes 18, y los colectores de
corriente 16a y 16b, pueden ventajosamente realizarse a partir del
depósito de una capa delgada. Esto permite obtener los colectores de
corriente 16 y las zonas aislantes 18 con el mismo espesor, sin
espacio libre entre ellos, evitando de este modo los problemas de
fugas de combustible.
Las figuras 3 a 5 ilustran, por ejemplo, las
primeras etapas de una realización particular de una pila de
combustible de este tipo. Una capa delgada 23, de material poroso
eléctricamente aislante, se deposita sobre la totalidad de la cara
superior 12a del soporte poroso 12 (figura 4). Además, un material
eléctricamente conductor se introduce o incorpora selectivamente en
las partes predeterminadas de la capa delgada 23, con el fin de
formar, tal como se representa en la figura 5, los primeros
colectores de corriente 16a y 16b. Como se representa en la figura
5, las ramas 20 y 22 pueden formarse ventajosamente a la vez que los
primeros colectores de corriente 16a y 16b siempre que estén
constituidas por el mismo material que el incorporado en las partes
predeterminadas de la capa delgada 23. Las ramas 20 y 22 pueden
formarse análogamente tras la formación de los primeros colectores
de corriente 16a y 16b, por ejemplo depositando local mente el mismo
material que el incorporado en las partes de la capa delgada 23
destinadas a formar los primeros colectores de corriente 16a y 16b.
Las ramas 20 y 22 pueden, por ejemplo, realizarse mediante
serigrafía, por chorro de tinta. A continuación, se forman los
montajes de las celdas 11a y 11b y los segundos colectores de
corriente 17a y 17b.
El procedimiento de fabricación, así, queda
simplificado y es más fácil de llevar a la práctica, ya que la
conexión en serie entre todas las celdas elementales de una pila
puede realizarse en una sola operación.
A modo de ejemplo, la capa delgada 23 está
realizada depositando una capa delgada de cerámica porosa aislante,
mediante serigrafía, sobre toda la cara superior 12a del soporte
poroso 12. A continuación, una tinta conductora se introduce
selectivamente por impregnación en las partes de la capa delgada 23
destinadas a formar los primeros colectores de corriente 16a y 16b.
En ese momento, una etapa de secado permite la obtención de los
colectores de corriente 16a y 16b y de las zonas aislantes 18. La
impregnación de la capa delgada 23 mediante una tinta conductora se
puede realizar en todo el espesor o bien solamente en una parte
superior de la capa delgada 23 o bien más allá de la capa delgada
23, de forma que impregne igualmente el soporte poroso 12. Las ramas
20 y 22, a continuación, se realizan a partir de esta misma tinta
depositada por ejemplo mediante serigrafía.
En una variante de realización representada en
las figuras 6 a 9, la capa delgada 23 de material eléctricamente
aislante puede sustituirse por una capa delgada 24 constituida por
una matriz porosa eléctricamente aislante, en la que se ha
incorporado un material eléctricamente conductor. En este caso, la
etapa de depósito de la capa 24 va seguida de una etapa de
eliminación selectiva de material eléctricamente conductor en las
partes predeterminadas de la capa 24 correspondientes a las zonas
aislantes 18 deseadas. Sí el material eléctricamente conductor está
basado en carbono, puede eliminarse selectivamente por calefacción
localizada, por ejemplo por ejemplo aplicación de un haz láser, de
un haz infrarrojo o por combustión, permitiendo quemar localmente el
material eléctricamente conductor basado en carbono. Las ramas 20 y
22, en particular, se formas tras la formación de los primeros
colectores de corriente 16a y 16b, (figura 5). La formación de los
elementos de unión 19 y 21 separados por una de las zonas aislantes
18 va seguida, a continuación, de la formación de los montajes de
las células y de los segundos colectores de corriente.
Una pila de combustible según la invención
presenta, de este modo, la ventaja de ser fácil y rápida de llevar a
la práctica, permitiendo al mismo tiempo obtener densidades de
potencia elevada y conservar una buena resistencia mecánica, una
buena estanquidad, y una elevada "superficie activa".
En efecto, la puesta en serie de celdas
elementales con elementos de unión como los representados en la
figura 2 permite disminuir las pérdidas óhmicas ligadas a las
resistencias de contacto, en el caso de aplicaciones que necesiten
densidades de corriente elevadas (> 300 mA/cm^{2}). En el caso
de una puesta en serie de celdas elementales, por recorte de las
celdas y pegado de los colectores de corriente, las medidas de las
resistencias de contacto entre el colector anódico de una celda y el
colector catódico de la celda vecina indican valores de 0,1 Ohm. En
consecuencia, las pérdidas por efecto Joule son de aproximadamente
0,1 W a 300 mA y 1 W a 1A en el caso de una asociación de 10 celdas.
O bien, el uso de los elementos de conexión 20 y 22 entre los
colectores de corriente anódico 16 y catódico 17 respectivamente de
celdas adyacentes permite disminuir considerablemente las pérdidas
por efecto Joule, ya que la corriente se distribuye por una
superficie mayor.
Adicionalmente, el uso de un soporte poroso que
asegure la resistencia mecánica permite realizar membranas
electrolíticas de espesores muy pequeños, lo que permite obtener
densidades de potencia elevadas, así como la disminución de pérdidas
por efecto Joule.
Adicionalmente, el uso ventajoso de un material
común en las zonas aislantes y en los elementos de unión permite
asegurar una continuidad entre estos dos elementos (misma altura,
sin desplazamiento o solapamiento), lo que reduce los riesgos de
fugas.
Finalmente, la escasa anchura de las ramas (o
elementos de conexión), asociada al hecho que el soporte no necesita
refuerzos suplementarios alrededor de las celdas, lo que permite
aumentar la parte de "superficie activa" acordada a las celdas.
Esto permite optimizar la superficie de la pila de combustible con
el fin de obtener pilas que suministren una tensión elevada mediante
la puesta en serie una elevado número de celdas elementales
minimizando al mismo tiempo el tamaño de la pila.
\vskip1.000000\baselineskip
Este listado de referencias citadas por el
solicitante pretende únicamente ayudar al lector y no forma parte
del documento de patente europea. Aunque se ha tenido mucho cuidado
en esta recopilación, no pueden excluirse errores u omisiones, y la
OEP excluye cualquier responsabilidad a este respecto.
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\bullet JP 61121265 B [0009]
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2869-2877 [0005]
Claims (11)
1. Pila de combustible constituida por un
soporte poroso (12) sobre el que está dispuesta una pluralidad de
celdas elementales (11, 11a, 11b), adyacentes, cada una de ellas
comprende:
- -
- un montaje formado por un primer electrodo (13, 13a, 13b), de una membrana electrolítica (14, 14a, 14b) y de un segundo electrodo (15, 15a, 15b)
- -
- y por colectores de corriente primero y segundo (16, 16a, 16b y 17, 17a, 17b), estando dichas celdas elementales (11, 11a, 11b) conectadas en serie mediante elementos de conexión dispuestos entre dos celdas adyacentes (11a, 11b) para conectar el primer colector de corriente (16a) de una celda (11a) al segundo colector de corriente (17b) de la celda adyacente (11b),
pila caracterizada porque:
- -
- el primer colector de corriente (16a) está constituido por una película de base delgada constituida por una matriz porosa eléctricamente aislante en la que se incorpora un material eléctricamente conductor y está colocado sobre el soporte poroso (12),
- -
- cada elemento de conexión está formado por una rama (20) constituida por dicho material eléctricamente conductor prolongando perpendicularmente la película de base delgada y unida al segundo colector de corriente (17b) de dicha celda adyacente (11b), estando dicha rama (20) en contacto con la membrana electrolítica (14, 14a, 14b) de dichos montajes, en todo el espesor de dicha membrana
- -
- y una zona (18a), constituida por un material poroso eléctricamente aislante y colocada sobre el soporte poroso (12), separa ambas películas delgadas de base de dos celdas adyacentes (11a, 11b), siendo el material poroso eléctricamente aislante de la zona (18a) idéntico al que constituye la matriz porosa de dichas películas delgadas de base.
2. Pila de combustible según la reivindicación
1, caracterizada porque la pila está constituida por dos
bornes conectados respectivamente a los colectores de corriente
primero y segundo (16b y 17a) respectivos de las celdas elementales
colocadas en los extremos de la pila.
3. Pila de combustible según una de las
reivindicaciones 1 y 2, caracterizada porque el material
poroso eléctricamente aislante se selecciona entre materiales
cerámicos, polímeros, silicio y carburo de silicio.
4. Pila de combustible según una cualquiera de
las reivindicaciones 1 y 3, caracterizada porque el material
eléctricamente conductor se escoge entre un metal, carbono, o un
material que contenga partículas metálicas o nanotubos de carbono, y
sus mezclas.
5. Pila de combustible según una cualquiera de
las reivindicaciones 1 y 4, caracterizada porque las dos
películas de base delgadas y dicha zona (18a) de material poroso
eléctricamente aislante tienen el mismo espesor.
6. Procedimiento de fabricación de una pila de
combustible según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5,
caracterizada porque la formación de los conjuntos de celdas
elementales (11a, 11b) y los segundos colectores de corriente (17a,
17b) de la pila va precedida de una etapa de formación de elementos
de unión (19, 21) separadas entre sí por la zona (18, 18a), dicha
etapa consiste en:
- -
- formar, sobre el soporte poroso (12), los primeros colectores de corriente separados por la zona (18, 18a)
- -
- y formar las ramas (20, 22) prolongando perpendicularmente dichas películas delgadas, estando formadas dichas ramas (20, 22) a partir del mismo material eléctricamente conductor.
7. Procedimiento de fabricación de una pila de
combustible según la reivindicación 6, caracterizada porque
las ramas (20, 22) se forman al mismo tiempo que los primeros
colectores de corriente (16a, 16b).
8. Procedimiento de fabricación de una pila de
combustible según la reivindicación 6, caracterizada porque
las ramas (20, 22) se forman a continuación de los primeros
colectores de corriente (16a, 16b).
9. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 6 a 8, caracterizado porque la formación de
los primeros colectores de corriente (16a, 16b) consiste en:
- -
- depositar, sobre el soporte poroso (12), una capa delgada de material poroso eléctricamente aislante (23)
- -
- e incorporar selectivamente el material eléctricamente conductor en las partes predeterminadas de dicha capa delgada (23), constituyendo dichas partes los primeros colectores de corriente (16a, 16b).
10. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 6 y 7, caracterizado porque la formación de
los primeros colectores de corriente (16a, 16b) consiste en:
- -
- depositar, sobre el soporte poroso (12), una capa delgada de material poroso eléctricamente aislante (24) que incorpora dicho material eléctricamente conductor,
- -
- y eliminar selectivamente dicho material eléctricamente conductor de las partes predeterminadas de dicha capa delgada (24), constituyendo dichas partes las zonas (18, 18a) que separan los primeros colectores de corriente (16a, 16b).
11. Procedimiento según la reivindicación 10,
caracterizado porque como el material eléctricamente está
basado en carbono, la eliminación selectiva de dicho material se
realiza por calentamiento local de dichas partes
predeterminadas.
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