ES2561705B2

ES2561705B2 - Pila con electrolito polimérico

Info

Publication number: ES2561705B2
Application number: ES201431260A
Authority: ES
Inventors: Pedro Luis GARCÍA YBARRA; José Luis CASTILLO GIMENO; Beatriz MARTÍNEZ VÁZQUEZ
Original assignee: Universidad Nacional de Educacion a Distancia UNED
Current assignee: Universidad Nacional de Educacion a Distancia UNED
Priority date: 2014-08-28
Filing date: 2014-08-28
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2034-08-28
Also published as: WO2016030565A1; ES2561705A1

Abstract

La presente invención es una pila con electrolito polimérico (PEM), que comprende al menos una placa monopolar que separa dos celdas electrolíticas, en la que dicha placa monopolar presenta una ranura pasante por la que circula un fluido reactivo, siendo que dicho fluido reactivo alimenta al mismo tiempo los dos electrodos yuxtapuestos uno a cada lado de la placa. La sustitución de las placas bipolares de la técnica por placas monopolares con canales pasantes operando como ánodo o cátodo al mismo tiempo en dos celdas electrolíticas contiguas montadas en paralelo, mejora la operatividad de las pilas electrolíticas actuales aligerando el material y reduciendo su tamaño.

Description

PILA CON ELECTROLITO POLIMÉRICO

Campo de la invención

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La presente invención refiere a una pila de combustible con electrolito polimérico mejorada con aplicación en el sector energético, por ejemplo para automoción y 5 sistemas portátiles, y en particular en la generación eléctrica directa a pequeña y media escala.

Cátodo

Ánodo

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Cátodo

Ánodo

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Cátodo

Ánodo

Antecedentes de la invención

Las pilas de combustible son dispositivos electroquímicos formados por la conexión de 10 celdas unidad, cada una de ellas compuesta básicamente de dos electrodos separados por un electrolito.

Las pilas con electrolito polimérico (PEM) incorporan al menos dos fluidos reactivos, líquidos o gaseosos, que actúan como combustible y comburente. El electrolito 15 utilizado es impermeable al paso de los reactivos y éstos se alimentan separadamente a través de los electrodos porosos, ánodo y cátodo, respectivamente. Para ello, cada uno de los electrodos está en contacto con un sistema de canales que distribuyen el fluido por la superficie del electrodo.

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El material de la placa que distribuye los fluidos reactivos y sobre la que se imprimen dichos canales es un buen conductor electrónico. Esto permite realizar la conexión en serie de celdas contiguas, de modo que el sistema de canales de un electrodo está conectado con el sistema de canales del electrodo de signo contrario de la celda contigua. Ambos sistemas de distribución de fluidos reactivos forman parte por tanto 25 de un mismo componente, denominado placa bipolar. En las caras opuestas de la placa bipolar se han grabado los dos sistemas de canales independientes, rebajando el material típicamente con una fresadora. Por lo tanto, el grosor “e” de una capa bipolar resulta ser igual a la suma de las profundidades de los canales de ambos lados más el espesor del material remanente entre ambos (Fig. 1). 30

Por otra parte, la pila se cierra por ambos extremos con placas monopolares con canales impresos solamente por el lado operativo en la célula correspondiente, denominadas placas terminales colectoras. Estas placas colectoras confinan la pila y típicamente la someten a una cierta presión para asegurar la estanqueidad de todo el 35 conjunto.

Así, una pila de una única celda está compuesta por los electrodos, ánodo A y cátodo C, separados por el electrolito E y cerrada por placas monopolares M, pudiendo representarse por la sucesión MAECM.

En la técnica actual existen montajes membrana-electrodo (MEA, Membrane Electrode 5 Assembly) que constan de un cuerpo poroso unido solidariamente al electrolito polimérico, que a su vez está unido a otro cuerpo poroso, cada uno de dichos cuerpos porosos actuando como cátodo o ánodo respectivamente según su diseño en cuanto a contenido catalítico, estructura, etc. Así, la sucesión AEC anterior constituiría un MEA.

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La conexión en serie de las celdas se realiza a través de una placa bipolar B, de modo que vendría representada por la sucesión MAECBAECM. El modelo puede representar pilas de más unidades sin más que yuxtaponerlas mediante placas bipolares, es decir:

MAECBAECBAECB……..BAECM 15

Esta disposición presenta sin embargo el inconveniente de la gran cantidad de material necesario para la fabricación de pilas en serie, y el tamaño y peso de la pila resultante.

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La patente US 7585577 B2 describe pilas PEM de metanol como reactivo líquido fabricadas con placas monopolares, cuya estructura implica un ensamblado particular de celdas unidad individualmente estancas. Las placas que cierran estas pilas individuales a cada lado son placas monopolares acanaladas sólo en uno de sus lados y en contacto con el ánodo o con el cátodo, respectivamente. La secuencia de 25 distribución sería entonces MAECM.

El problema de la técnica es la necesidad de mejorar la operatividad de las pilas electrolíticas actuales aligerando el material y reduciendo su tamaño. La solución que propone la presente invención es la sustitución de las placas bipolares por placas 30 monopolares con canales pasantes que calan la placa de lado a lado operando sea como ánodo o como cátodo común a dos celdas electrolíticas contiguas que se conectan en paralelo.

Descripción de la invención 35

La presente invención es una PEM, que comprende al menos una placa monopolar que separa dos celdas electrolíticas, en la que dicha placa monopolar presenta una

ranura pasante por la que circula un fluido reactivo, siendo que dicho fluido reactivo alimenta al mismo tiempo los dos electrodos yuxtapuestos, uno a cada lado de la placa. Esta placa monopolar se puede decir que tiene una funcionalidad dual. En un aspecto de la invención, dicha placa monopolar presenta más de una ranura pasante. En otro aspecto de la invención, dicha placa monopolar se conecta al terminal anódico, y en 5 un aspecto más se conecta al terminal catódico.

La “placa monopolar dual” de la presente invención sirve a la vez a dos electrodos yuxtapuestos de dos celdas unidad adyacentes conduciendo de forma natural a la conexión en paralelo de las celdas unidad. Por otro lado, el concepto de pila en el que 10 se integran estas placas monopolares es el clásico, en el sentido de que las celdas unidad se distribuyen una a continuación de la otra formando entre todas una pila que se acaba comprimiendo con placas terminales colectoras, que proporcionan solidez y estanqueidad al conjunto.

15

La invención sustituye las placas bipolares de la técnica por placas monopolares que conectan electrodos del mismo signo de celdas contiguas. En las placas monopolares de la invención los canales son ranuras que calan la placa de lado a lado, permitiendo que el fluido reactivo alimente al mismo tiempo a los dos electrodos yuxtapuestos. En el alcance de la presente invención, estas placas unipolares se denominan placas 20 duales D. Con esta disposición las celdas han de conectarse en paralelo, de forma que en el modo operativo de una pila constituida por dos células se conectarían la placa dual D y los electrodos porosos adyacentes C al terminal catódico, y al terminal anódico lo harían las placas monopolares finales M y los electrodos porosos adyacentes A previamente interconectados, tal como sigue: 25

MAECDCEAM

30

Una realización preferible de la invención es una pila de tres células constituida de manera análoga según el esquema:

35

MAECDCEADAECM

En el que la primera placa dual junto con los electrodos porosos C adyacentes se conectan con la placa final catódica, y la segunda placa dual con los electrodos porosos A adyacentes se conectan con la placa final anódica.

5

En una realización preferible más de la invención, una pila de cuatro celdas respondería al esquema siguiente:

10

MAECDCEADAECDCEAM

y así sucesivamente. 15

De forma que un aspecto muy preferible de la invención es una PEM que comprende “n” celdas electrolíticas, en que cada una de dichas celdas está separada de la celda adyacente por una placa monopolar, siendo que dicha placa monopolar presenta una ranura pasante por la que circula un fluido reactivo que alimenta al mismo tiempo los 20 dos electrodos yuxtapuestos uno a cada lado de la placa, en que dichas placas monopolares son sucesivamente de signo contrario y en que “n” es número entero entre 2 y 150, más preferiblemente entre 2 y 100, más preferible entre 50 y 100, aún más preferible entre 75 y 100, lo más preferible 100. En otro aspecto, dicha placa monopolar presenta más de una ranura pasante. El número de celdas electrolíticas 25 dependerá de la aplicación de dicha pila en función de la potencia total a desarrollar y de la geometría del volumen disponible.

En un aspecto más de la invención dicha placa monopolar es de serpentín único y en otro aspecto diferente es de serpentines paralelos. En este último caso no puede 30 haber una única entrada de reactivo común a los distintos canales, sino que la entrada de cada uno ha de estar separada de las demás para que el espaciado entre ellas sirva de soporte al material entre canales. La invención también comprende la propia placa monopolar de serpentín único y la placa monopolar de serpentines paralelos, respectivamente. 35

Un aspecto más es la PEM de la invención en que dicha placa monopolar es una placa corrugada.

En las placas de la invención la topología típica de varios canales paralelos en serpentín se traduce en una serie de ranuras paralelas separadas por franjas de 5 material, también en forma de serpentín o de dos peines intercalados en el caso de un único canal. Preferiblemente, las placas de la invención son de acero inoxidable porque su resistencia y tenacidad permiten el procesamiento por troquelado o corte con láser o al agua. Otro material preferible de la invención son los plásticos conductores de electricidad, que permiten una fácil fabricación de las placas 10 monopolares mediante moldeo e implican una rebaja sustancial del peso de la pila. Otro material preferible sería un composite de grafito o fibra de carbono, cuya posible consistencia porosa no reviste en este caso ninguna dificultad al ser una placa monopolar.

15

La presente invención está conceptualizada para las pilas PEM o de combustible de electrolito polimérico y reactivos gaseosos o líquidos. Propone el uso de placas monopolares duales, que son esencialmente placas surcadas por ranuras, en sustitución de las placas bipolares habituales en la técnica.

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La principal ventaja por tanto de la invención sobre la técnica es una fabricación de la pila electrolítica más rápida y barata. Los altos costes de los componentes de las pilas son uno de los principales problemas que impiden su implantación a gran escala. Entre estos componentes, las placas bipolares son uno de los más costosos porque el procedimiento de fabricación más habitual consiste en desbastar el material elegido, 25 típicamente grafito o acero, mediante un fresado de precisión para moldear los canales de distribución de los fluidos reactivos a ambos lados de la placa. En la placa unipolar dual de la presente invención los canales de distribución de los reactivos son ranuras que calan la placa de un lado a otro, de modo que pueden fabricarse por simple troquelado o corte mecánico, a láser o al agua según el material y la precisión 30 requerida. El resultado es que la diferencia del coste de la pila de la invención en la parte proporcional correspondiente a las placas monopolares es del orden de diez veces menor que el coste de las placas bipolares de una pila PEM convencional.

Otra ventaja sobre la técnica es la reducción del tamaño y peso de la pila de la 35 invención. La longitud de una pila, sin contar las placas colectoras de los extremos, viene dada por la suma de los espesores de las MEAs y principalmente de las placas

bipolares, que son las que contribuyen en mayor medida a la longitud total. El espesor de estas placas bipolares es típicamente de unos 3 mm, siendo los canales a cada lado para el paso de los fluidos reactivos de 1 mm de profundidad. El espesor de una placa monopolar dual según la presente invención es la profundidad del canal, que viene a ser típicamente de 1 mm, es decir, la tercera parte del espesor de una placa 5 bipolar de la técnica. La mayor parte del peso de la pila es debida al peso de las placas bipolares, por tanto también el peso de la pila queda notablemente reducido si se usan placas monopolares duales.

La pila PEM de la invención mantiene las prestaciones técnicas de las pilas 10 convencionales de la técnica de similares características. En particular, con la misma superficie activa por electrodo y mismo número de celdas unidad desarrolla la misma potencia eléctrica, aunque con una corriente de mayor amperaje y menor voltaje como consecuencia de la conexión en paralelo de las celdas unidad. Si tomamos como referencia una pila formada por una única celda de fuerza electromotriz  y resistencia 15 interna Ri y suponemos por simplicidad que su comportamiento es puramente óhmico, cuando genera un corriente de intensidad I la caída de tensión en bornes de la pila V es

V =  – I Ri 20

dando una potencia eléctrica P que es igual a

P = I V = I  – I2 Ri

25

En términos de la intensidad de corriente, esta potencia tiene forma de parábola invertida presentando un máximo de valor Pm =  Im/2 cuando la corriente es Im = /2Ri, de modo que la curva de potencia se puede escribir como

P/Pm = 2(I/Im) – (I/Im)2 30

tal como se ha representado en la curva 1 de la Figura 4. En una pila convencional formada por la conexión en serie de dos celdas unidad, la fuerza electromotriz resultante es 2 y la resistencia interna es 2Ri, de manera que la curva de potencia es

35

P/Pm = 4(I/Im) – 2(I/Im)2

como la curva 2 de la Figura 4. Es decir, que esta pila ofrece el doble de potencia con los mismos valores de la corriente al duplicarse el potencial total en bornes de la pila. Por otra parte, si las dos celdas unidad se conectan en paralelo la pila resultante tiene la misma fuerza electromotriz  que cada una de las celdas unidad y una resistencia 5 interna Ri/2, que resulta ser la mitad de la resistencia interna de una celda unidad. En estas condiciones, la potencia de la pila resultante es

P/Pm = 2(I/Im) – (I/Im)2/2

10

representada en la curva 3 de la Figura 4. Como se observa, al igual que en el caso de la pila convencional, también el máximo de potencia es el doble del que produce una celda unidad, aunque en el caso de la presente invención el máximo se obtiene a una intensidad de corriente doble y con el mismo voltaje que la celda unidad. En cuanto a la fluidodinámica de los canales de distribución de la placa dual, al servir ahora cada 15 canal a una superficie de electrodo doble debe llevar también el doble de caudal, lo que multiplica por 2 la velocidad media del fluido reactivo en el canal. Típicamente, este aumento no llevará a un cambio significativo de régimen en el flujo. Por otro lado, una mayor velocidad del fluido reactivo implica un mayor esfuerzo viscoso sobre las paredes y, por lo tanto, una mejor evacuación del agua que puede condensar en ellas. 20

Breve descripción de las figuras

Figura 1: esquema de una sección transversal de una placa bipolar de canales paralelos utilizada en la técnica. “e”: Grosor total.

Figura 2a: Placa monopolar dual con canal tipo serpentín único. 25

Figura 2b: Ampliación en tres dimensiones del detalle circunvalado de la Figura 2a.

Figura 3: Placa monopolar dual con canales tipo serpentines paralelos.

Figura 4: Esquema comparativo de la potencia generada por una celda unidad individual (línea 1) y la de una pila compuesta de dos celdas unidad, bien conectadas en serie (línea 2) como en la técnica actual o bien conectadas en paralelo (línea 3) 30 según la presente invención.

Figura 5: Realización particular de la placa monopolar de la Figura 2, con ensanche lateral para la interconexión. Las cotas son en milímetros.

Ejemplos 35

Con la intención de mostrar la presente invención de un modo ilustrativo aunque en ningún modo limitante, se aportan los siguientes ejemplos.

Ejemplo 1: Características de placa monopolar de acero.

Se considera una placa monopolar de acuerdo a la Figura 5. El material es una chapa de 1 mm de espesor de acero inoxidable con buena resistencia a la corrosión. El peso es de Mm = 60,6 g. Puesto que la densidad del acero es de 8 g/cm3 aprox., esta masa 5 resulta de un volumen aproximado de material de 7,6 cm3. Por otro lado, si la placa fuera una placa bipolar de las mismas dimensiones su masa sería una masa igual a Mm por cada una de las dos acanaladuras de cada lado más la masa del material sólido entre ambas, resultando aproximadamente igual a Mb = 204 g; es decir, más de 3 veces superior a la de la placa monopolar y además de un espesor 3 veces superior. 10 Aún a pesar de su fragilidad, el grafito se suele preferir para la fabricación de placas bipolares dada su reducida densidad, 2,2 g/cm3, que en el caso considerado llevaría a una placa bipolar de masa Mbg = 56,3 g. No obstante, cuando se compara este valor con el de una placa monopolar de acero según la presente invención, la masa de ésta última resulta ser superior sólo en algo más de 4 g. El resultado es que la placa 15 monopolar de acero resulta tener un peso muy similar, un espesor 3 veces inferior y un coste unas 9 veces inferior comparada con una placa bipolar de grafito de la técnica, evitando además la fragilidad del grafito, de suma importancia para aplicaciones industriales.

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Ejemplo 2:

Otra realización de placa monopolar se puede conseguir con una placa metálica corrugada, correspondiendo este caso a una distribución de los fluidos reactivos en canales paralelos. En WO 2011/154576 A1 se describe la utilización de placas metálicas corrugadas como placas bipolares. La concepción de placa corrugada, que 25 conforma una serie de canales paralelos alternándose a ambos lados de la placa, resulta ser una configuración muy adecuada para su uso como placa monopolar dual. La placa corrugada, confeccionada con un acero resistente a la corrosión, va solidaria a un marco de material conductor donde se han efectuado los taladros pasantes para los fluidos reactivos, dos de los cuales conectan con la cavidad interna donde se 30 encuentra la placa corrugada para alimentar, con el reactivo correspondiente, los electrodos de las MEAs adyacentes que han de yuxtaponerse a la placa monopolar, tal como se ha indicado en la descripción general de la invención.

Claims

Reivindicaciones

1. Pila con electrolito polimérico, caracterizada por que comprende al menos una placa monopolar que separa dos celdas electrolíticas, en la que dicha placa monopolar presenta una ranura pasante por la que circula un fluido reactivo, siendo que dicho fluido reactivo alimenta al mismo tiempo los dos electrodos 5 yuxtapuestos uno a cada lado de la placa.
2. Una pila con electrolito polimérico según la reivindicación 1, caracterizada por que dicha placa monopolar se conecta al terminal anódico.
3. Una pila con electrolito polimérico según la reivindicación 1, caracterizada por que dicha placa monopolar se conecta al terminal catódico. 10
4. Una pila con electrolito polimérico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada por que dicha placa monopolar es de serpentín único.
5. Una pila con electrolito polimérico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada por que dicha placa monopolar es de serpentines paralelos.
6. Una pila con electrolito polimérico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15 3, caracterizada por que dicha placa monopolar es una placa corrugada.
7. Una pila con electrolito polimérico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, que comprende “n” celdas electrolíticas, caracterizada por que cada una de dichas celdas está separada de la celda adyacente por una placa monopolar, siendo que dicha placa monopolar presenta una ranura pasante por la que 20 circula un fluido reactivo que alimenta al mismo tiempo los dos electrodos yuxtapuestos uno a cada lado de la placa, en que dichas placas monopolares son sucesivamente de signo contrario y en que “n” es número entero entre 2 y 150.
8. Una pila con electrolito polimérico según la reivindicación 7, caracterizada 25 porque “n” es 100.
9. Placa monopolar de serpentín único.
10. Placa monopolar de serpentines paralelos.

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