ES2938279B2 - Placa con canales para electrolizador de membrana polimerica protonica - Google Patents

Description

DESCRIPCIÓN

PLACA CON CANALES PARA ELECTROLIZADOR DE MEMBRANA POLIMÉRICA

PROTÓNICA

CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se engloba en el campo de los dispositivos para la electrólisis, en concreto, los componentes de los mismos como las placas que los componen, con canales por donde discurre un fluido.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Un electrolizador es un dispositivo electroquímico para separar el hidrógeno y el oxígeno del agua en el que se disponen varias celdas apiladas para lograr una generación de hidrógeno suficiente. Estas celdas están constituidas por dos electrodos en un electrolito estando separados por un diafragma o membrana, y en donde tres fases diferentes deben encontrarse adecuadamente en contacto: sólido (electrocatalizador), líquido (agua) y gas (H²/O² generado). En la electrólisis de membrana polimérica protónica (PEM, siglas en inglés para “proton exchange membrane”) el electrolito es una membrana polimérica sólida que conduce iones hidrógeno, H+, y que junto a los electrodos constituyen el ensamblado electrodomembrana (MEA, siglas en inglés para “membrane-electrode assembly”). A ambos lados del conjunto electrodo-membrana se disponen los difusores líquido-gas y las placas de distribución de flujo, que llevan definidos una serie de canales que permiten conducir el agua hasta los sitios de reacción y extraer el gas generado durante la electrólisis. El electrolizador se alimenta con agua desionizada, logrando producir hidrógeno muy puro (99,999 %), a elevadas densidades de corriente y con una respuesta en operación muy rápida y dinámica, por lo que es muy adecuado para acumular energía procedente de fuentes de energía renovables.

El óptimo funcionamiento de un electrolizador PEM, depende en gran medida del comportamiento termofluidodinámico que tiene lugar dentro de las celdas de electrólisis, influenciado por la forma que tienen los canales de las placas bipolares que lo componen. El tamaño de los canales viene determinado por los requerimientos de potencia/voltaje, mientras que la geometría del flujo es el resultado del posicionamiento de los colectores de entrada y de salida, del tipo de topología seleccionada, de la gestión del calor y el agua, y de las limitaciones del proceso de fabricación utilizado (E. Amores, M. Sánchez, N. Rojas y M. Sánchez-Molina, chapter «Renewable hydrogen production by water electrolysis» in: «Sustainable Fuel Technologies Handbook», Academic Press: London (UK), pp. 271-313, 2021).

En cualquier caso, la geometría de canales que se seleccione en una celda de electrólisis PEM debe cumplir al menos estos aspectos (J. Wang y H. Wang, «Flowfield designs of bipolar plates in PEM fuel cells: theory and applications», Fuel Cells, vol. 12, pp. 989-1003, 2012; E. Amores, A. Contreras y L. Rodríguez, «Análisis de la distribución de flujo mediante simulación CFD en celdas de electrólisis PEM con configuración de canales paralelos», Congreso Iberoamericano de Hidrógeno y Pilas de Combustible (IBERCONAPPICE), Huesca (Spain), 2017; E. Amores, «Modelado fluidodinámico de los canales de una placa bipolar de una celda de electrólisis PEM», Congreso Iberoamericano de Hidrógeno y Pilas de Combustible (IBERCONAPPICE), Barcelona (Spain), 2014):

• Igualar el flujo que entra al flujo que sale, evitando zonas de acumulación.

• Evitar la formación de flujos inversos en los canales.

• Facilitar la evacuación de los gases generados en la electrólisis, tan rápido como sea posible.

• Favorecer la distribución homogénea del agua, asegurando una producción constante de H²/O² y evitando la formación de puntos calientes sobre la membrana. • Evitar configuraciones complejas que dificulten su fabricación o impidan un correcto recubrimiento.

• Favorecer bajas caídas de presión, para que el consumo de una bomba de impulsión sea reducido.

• Mantener constante la densidad de corriente (a valores cercanos o superiores a 2000 mNcm2).

• Maximizar la producción de hidrógeno y oxígeno con el menor potencial de celda posible.

• Menor coste posible en su fabricación.

Al igual que las celdas de electrólisis PEM, las pilas de combustible de metanol directo (DMFC, siglas en inglés para “direct methanol fuel cell”) y las pilas de combustible de membrana de intercambio protónico (PEMFC, siglas en inglés para “proton exchange membrane fuel cell”), requieren de placas bipolares con un adecuado diseño de canales que permitan distribuir los reactivos y extraer los productos de forma eficiente. Existen numerosas investigaciones que abordan la forma de optimizar los canales en estos dispositivos electroquímicos, pero muy pocas en electrolizadores PEM. Sin embargo, investigaciones previas realizadas en pilas de combustible pueden aportar criterios de diseño sobre la optimización de canales.

Algunos autores han apuntado que en PEMFC es aconsejable utilizar geometrías diferentes en ánodo y cátodo, siendo las geometrías con mayores caídas de presión (como serpentín -por ejemplo como en las patentes US20020119358A1 y US20190214658A1- e interdigitado), las que deben utilizarse en el cátodo, ya que permiten eliminar el exceso de agua que se forma (A. P. Manso, F. F. Marzo, J. Barranco, X. Garikano y M. Garmendia, «Influence of geometric parameters of the flow fields on the performance of a PEM fuel cell. A review», International Journal of Hydrogen Energy, vol. 37, pp. 15256-15287, 2012). En el caso de una celda de electrólisis PEM, el ánodo siempre se encuentra inundado (ya que es el lugar por donde habitualmente se produce la entrada de agua), y es en el cátodo donde cierta cantidad de agua puede llegar junto al hidrógeno por efecto electrosmótico, siendo interesante su eliminación, utilizando en la cámara catódica configuraciones de canales de mayores pérdidas de carga. El ancho y profundidad o altura de cada canal son parámetros críticos, pues influye en la eficiencia, en la pérdida de carga y en la densidad de corriente.

En las pilas de combustible de metanol directo (DMFC) el diseño más ampliamente utilizado es la configuración en serpentín, aunque se ha observado que, a altas densidades de corriente, la configuración de canales interdigitados mejora la transferencia de masa (A. S. Arico, S. Srinivasan y V. Antonucci, «DMFCs: From fundamental aspects to technology, development» Fuel Cells, vol. 1, pp. 133-161, 2001). El diseño de canales paralelos, como en el modelo de utilidad CN209896180U para una pila de combustible, aunque menos utilizado, resulta adecuado por su óptima combinación de simplicidad de diseño y fabricación.

Como se comentaba con anterioridad, existen pocos trabajos sobre el diseño que deben mantener los canales en una celda de electrólisis PEM. En muchos casos, los diseños utilizados han sido los mismos que aquellos empleados en pilas de combustible PEMFC, sin tener en cuenta las particularidades que presenta el flujo en los procesos electrolíticos. Ciertos estudios (H. Ito, T. Maeda, A. Nakano, Y. Hasegawaa, N. Yokoi, C. M. Hwang, M. Ishida, A. Kato y T. Yoshida, «Effect of flow regime of circulating water on a proton exchange membrane electrolyzer», International Journal of Hydrogen Energy, vol. 35, pp. 9550-9560, 2010), indican que la disposición de canales en paralelo es la más adecuada desde el punto de vista del potencial de electrólisis y de la distribución de presiones. Sin embargo, la geometría de canales paralelos, como en la patente US6322919B1, presenta cierta dificultad para mantener el flujo homogéneo, pudiendo llegar en algunos diseños a la obstrucción de canales, ocasionando un flujo casi inexistente en algunos puntos. Cualquier obstrucción haría que el agua que circula por su interior se redistribuya por el resto de canales, dejando sin utilizar una parte del catalizador (J. Nie, Y. Chen, S. Cohen, B. D. Carter y R. F. Boehm, «Numerical and experimental study of three dimensional fluid flow in the bipolar plate of a PEM electrolysis cell», International Journal of Thermal Sciences, vol. 48, pp. 1914-1922, 2009). De hecho, diferentes estudios realizados en esta línea ponen de manifiesto que la geometría de canales paralelos presenta importantes inconvenientes tanto para distribuir adecuadamente el agua a toda la celda, como para evacuar eficientemente el hidrógeno/oxígeno generado (E. Amores, A. Contreras y L. Rodríguez, «Análisis de la distribución de flujo mediante simulación CFD en celdas de electrólisis PEM con configuración de canales paralelos», Congreso Iberoamericano de Hidrógeno y Pilas de Combustible (IBERCONAPPICE), Huesca (Spain), 2017; E. Amores, «Modelado fluidodinámico de los canales de una placa bipolar de una celda de electrólisis PEM», Congreso Iberoamericano de Hidrógeno y Pilas de Combustible (IBERCONAPPICE), Barcelona (Spain), 2014).

A pesar de todo, muchos electrolizadores PEM actuales siguen basando sus criterios de diseño en la presencia de canales de distribución de flujo en configuración paralela, aunque su forma y tamaño sigue siendo un aspecto de mejora y no existe un único criterio para su diseño. Así, algunos trabajos (E. Amores, A. Contreras, L. Rodríguez y M. Carrero, «Flow field optimization for PEM water electrolysis cell using computational fluid dynamic simulations», European Hydrogen Energy Conference (EHEC 2018), Málaga (Spain), 2018) han propuesto la presencia de canales inclinados, en sentido opuesto a las pilas de combustible PEMFC, con el objetivo de aumentar la sección del canal en el sentido ascendente del flujo para poder albergar la mezcla bifásica generada (agua/gas), aunque siguen produciéndose rutas preferenciales en su interior.

Otras mejoras en la configuración de canales paralelos hacen referencia a la forma que tienen los colectores y distribuidores en la zona de entrada y salida de la celda, así como en la propia forma de los canales (E. Qelik y i. Karagoz, «Polymer electrolyte membrane fuel cell flow field designs and approaches for performance enhancement», Journal of Power and Energy, vol. 234, n° 8, pp. 1189-1214, 2020; J. H. Nie, Y. T. Chen, J. F. Wu y K. M. Veepuri, «Explorations of improving flow uniformity in the bipolar plate of a pem electrolysis cell using different designs», Conference, Jacksonville (Florida, EEUU), 2008; G. M. Imbrioscia y H. J. Fasoli, «Simulation and study of proposed modifications over straightparallel flow field design», International Journal of Hydrogen Energy, vol. 39, pp. 8861-8867, 2014). En todos los casos se persigue igualar el perfil de velocidades en cada canal, evitando la formación de rutas preferenciales entre la entrada y salida de la celda.

Por otro lado, la durabilidad de un electrolizador PEM depende en gran medida del comportamiento de los materiales que lo conforman. En la cámara anódica del electrolizador se generan unas condiciones mucho más corrosivas que en el compartimento catódico, debido a la polarización positiva y la presencia de oxígeno generado en la reacción de electrólisis, condiciones que además se hacen más severas al aumentar la temperatura (N. Rojas, M. Sanchez-Molina, G. Sevilla, E. Amores, E. Almandoz, J. Esparza, M. R. Cruz Vivas y C. Colominas, «Coated stainless steels evaluation for bipolar plates in PEM water electrolysis conditions», International Journal of Hydrogen Energy, vol. 45, pp. 25929-25943, 2021). Por tanto, es importante seleccionar un material que posea la suficiente resistencia a la corrosión y que sea estable en un ambiente ácido (pH<4) provocado por los protones que se producen en la reacción anódica y que se intercambian en la membrana durante la operación para posteriormente generar el hidrógeno en el compartimento catódico.

También hay que tener en cuenta que el material del cátodo, compartimento donde tiene lugar la reacción de producción de hidrógeno, debe tener alta resistencia a la fragilización por hidrógeno. Atendiendo a estos hechos, el titanio platinizado es la combinación que mejor cumple estos requisitos, pero es de precio muy elevado debido al uso de metales nobles como el platino. Existen muy pocos estudios donde se hayan testado materiales para placas bipolares con aplicación a electrolizadores PEM y, los pocos que existen, han sido adaptados de la tecnología de pilas de combustible. Para esta aplicación son de utilidad los materiales metálicos (titanio, níquel y aceros inoxidables), ya que los materiales con base de grafito o poliméricos quedarían descartados al producirse CO² procedente de la oxidación del carbono que compone la placa y que generaría un hidrógeno de menor calidad.

Otra cuestión importante es la lixiviación de iones del material metálico y su depósito en la membrana de electrolito polimérico como consecuencia de la corrosión (C. M. Branco, A. El-kharouf, and S. Du, “Materials for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFCs): Electrolyte Membrane, Gas Diffusion Layers, and Bipolar Plates,” Reference Module in Materials Science and Materials Engineering, Elsevier, 2017). Esto hace que las placas bipolares metálicas deban someterse a un tratamiento de modificación de la superficie o a la deposición de una capa protectora a modo de recubrimiento para mantener un rendimiento estable durante el funcionamiento del dispositivo electroquímico.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención queda establecida y caracterizada en la reivindicación independiente, mientras que las reivindicaciones dependientes describen otras características de la misma.

El objeto de la invención es una placa con canales para electrolizador de membrana polimérica protónica con una eficiencia mejorada respecto a lo conocido. El problema técnico a resolver es configurar la placa para alcanzar el objeto citado, tanto en diseño de canales de distribución de flujo de manera principal, como en materiales y sus recubrimientos de manera secundaria.

La presente invención se refiere a una placa con canales para electrolizador de membrana polimérica protónica (PEM) con al menos una cara activa, la cual es la única en una placa terminal, monopolar, pues la otra es la opuesta y sirve de fijación, o son las dos caras activas de una placa intermedia, bipolar; la cara activa comprende un orificio de entrada y un orificio de salida de un fluido, dispuesto, cada uno de los orificios, en comunicación con varios canales paralelos por una zona de transición, es decir, desde cada uno de los orificios y hasta los canales hay una zona de paso o de transición; cada canal tiene un ancho, un alto, una longitud y una separación entre canales consecutivos configurada por costillas (a modo de tabiques) rectilíneas, es decir, los canales quedan separados por las costillas o, dicho de otra manera, se pudiera decir que al disponer las costillas entre ellos quedan configurados los canales, pudiendo elaborarse por cualquier proceso habitual de los empleados en el estado de la técnica; los canales y la zona de transición de cada uno de los orificios de entrada y salida configuran la zona inundada de cada cara activa del electrolizador por donde puede discurrir el fluido, considerado como tal tanto el agua como los gases generados, como se conoce en el estado de la técnica. La zona o área activa es algo menor que la zona inundada y se considera la porción de la zona inundada en contacto con los electrodos y la correspondiente membrana.

Caracteriza a la placa el que la separación entre canales consecutivos, que se corresponde al ancho de cada costilla, es constante, el ancho de cada canal está entre 1 mm y 4 mm, el alto de cada canal está entre 1 mm y 5 mm, la zona inundada queda limitada por un primer lado lateral, por un segundo lado lateral, por un primer tramo inclinado entre 15° y 20° desde el primer lado hasta el orificio de entrada y por un segundo tramo inclinado entre 5° y 12° desde el segundo lado hasta el orificio de entrada, y por un tercer tramo inclinado entre 5° y 12° desde el primer lado hasta el orificio de salida y por un cuarto tramo inclinado entre 15° y 20° desde el segundo lado hasta el orificio de salida, de manera que un tercio de los canales se corresponden con el primer tramo y dos tercios de los canales se corresponden con el segundo tramo, que es lo mismo que decir que dos tercios de los canales se corresponden con el tercer tramo y un tercio de los canales se corresponden con el cuarto tramo, pues la zona inundada, en concreto la zona de transición, es simétrica respecto a un eje transversal medio de cada placa en lo concerniente a la limitación de los tramos, pues la zona activa puede variar ligeramente por la diferente longitud de los canales y correspondientes costillas.

El tamaño específico de cada uno de los canales puede ser similar o puede ser diferente entre ellos, lo cual va en función de su posición relativa en cada cara y acorde a la ubicación de los orificios de entrada y salida.

Una ventaja, coincidente con el objeto de la invención, es que se consigue una mejor distribución de flujo del fluido y una consiguiente mejor eficiencia de funcionamiento del electrolizador.

Otra ventaja es que permite reducir el potencial requerido para la electrólisis; por ejemplo, entre un 10% y un 14% (a 1000 mA/cm2) como se ha comprobado experimentalmente para una celda de 25 cm2 de zona activa.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Se complementa la presente memoria descriptiva, con un juego de figuras, ilustrativas del ejemplo preferente, y nunca limitativas de la invención.

La figura 1 representa una vista en alzado de una cara activa de una placa terminal o intermedia.

Las figuras 2 y 3 representan detalles de la parte superior y la inferior, respectivamente, de la placa de la figura 1, que además presenta redondeos de los canales y costillas.

Las figuras 4 y 5 representan una sección transversal de una placa terminal y una intermedia, respectivamente, sin redondeos de los canales y costillas. Las figuras 6 y 7 representan las mismas secciones de las figuras 4 y 5 pero con redondeos de los canales y costillas.

La figura 8 representa una vista en explosionado de un electrolizador.

EXPOSICIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

En la figura 1 se muestra una placa, terminal (1) o intermedia (2), con canales para electrolizador de membrana polimérica protónica (PEM), en concreto se representa en alzado para mostrar una cara activa; cada cara, tanto si es activa de una placa terminal (1) o intermedia (2) como si es no activa, sin canales, de una placa terminal (1), comprende un orificio de entrada (3) y un orificio de salida (4) de un fluido; cuando es una cara activa se dispone cada uno de los orificios (3,4), en comunicación con varios canales (5) paralelos por una zona de transición (8.7), figuras 1 a 3; cada canal (5) tiene un ancho (A), un alto (H), figuras 4 a 7, una longitud (L), figura 1, y una separación (S) entre canales (5) consecutivos configurada por costillas (7) rectilíneas, figuras 4 a 7; los canales (5) y la zona de transición (8.7) de cada uno de los orificios de entrada (3) y salida (4) configuran la zona inundada (8) de cada cara activa por donde puede discurrir el fluido, figura 1.

La separación (S) entre canales (5) consecutivos es constante, como se representa aproximadamente en las figuras 1 a 7, el ancho (A) de cada canal (5) está entre 1 mm y 4 mm, el alto (H) de cada canal (5) está entre 1 mm y 5 mm.

La separación (S) sólo varía cuando aumenta el área activa o el tamaño de la placa (1,2), como se aprecia en el ejemplo más abajo, y dicha separación (S) entre canales (5) consecutivos puede estar entre 0,9 mm y 3,6 mm.

La zona inundada (8) queda limitada por un primer lado (8.1) lateral, por un segundo lado (8.2) lateral, por un primer tramo (8.3) inclinado entre 15° y 20° (a) desde el primer lado (8.1) hasta el orificio de entrada (3) y por un segundo tramo (8.4) inclinado entre 5° y 12° (P) desde el segundo lado (8.2) hasta el orificio de entrada (3), y por un tercer tramo (8.5) inclinado entre 5° y 12° (P) desde el primer lado (8.1) hasta el orificio de salida (4) y por un cuarto tramo (8.6) inclinado entre 15° y 20° (a) desde el segundo lado (8.2) hasta el orificio de salida (4), de manera que un tercio de los canales (5) se corresponden con el primer tramo (8.3) y dos tercios de los canales (5) se corresponden con el segundo tramo (8.4), figura 1.

En las figuras 1 a 3 se representan unos orificios de apilamiento (6) en las esquinas de cada una de las placas (1,2) por donde atraviesan las correspondientes guías de posición que facilitan el apilamiento para formar el electrolizador.

Una opción ventajosa, como se aprecia en las figuras 2, 3, 6 y 7, es que las esquinas que configuran los canales (5) y las costillas (7) están redondeadas, con lo que el régimen del fluido se ve favorecido. En las figuras 2 y 3 además se aprecia como cualquier esquina de la zona inundada (8) está redondeada para aportar el citado efecto a toda ella y, por defecto, a todo el funcionamiento fluídico del electrolizador. Este efecto también favorece los recubrimientos de las placas (1,2), citados aquí más adelante, ya que no existen aristas vivas que dificulten la deposición de los materiales usados en los recubrimientos.

La sección de los canales (5) puede ser aproximadamente rectangular, como se aprecia en las figuras 4 a 7, lo cual proporciona mayores potenciales eléctricos respecto a otras secciones triangulares o circulares. En la realización expuesta, los canales centrales presentan una sección completamente rectangular, mientras que los canales extremos tienen cierta inclinación en la base (entendida como el tramo opuesto a la abertura del canal, el tramo que une las paredes de cada canal).

Otra opción es que se dispone al menos un pin (9) en la zona de transición (8.7) de la zona inundada (8) entre el orificio de entrada (3) o salida (4) y los canales (5), en las figuras 2 y 3 se aprecian dos pines (9) cercanos al orificio de salida (4) y tres pines (9) cercanos al orificio de entrada (3), respectivamente. Estos pines (9) sirven de apoyo a un conjunto intermedio (10) entre placas (1,2) como se explica más adelante en relación con la figura 8. Ventajosamente, la altura del pin (9) es igual al alto (H) máximo de los canales (5), con lo que se garantiza que el conjunto intermedio (10) se apoya de igual manera en dicho pin (9) que en las costillas (7), evitándose hundimientos locales que podrían afectar al flujo del fluido.

Las placas (1,2) pueden estar fabricadas en titanio platinizado, como es habitual en el estado de la técnica. Sin embargo, este material llega a suponer el mayor coste del electrolizador. Una opción es que cada placa (1,2) es de acero inoxidable con recubrimiento de titanio/nitruro de titanio (Ti/TiN) mediante pulverización catódica por magnetrón (MS, siglas en inglés para “magnetron sputtering”), formando un conjunto multicapa con alternancia de una capa de titanio con una capa de nitruro de titanio, o de acero inoxidable con recubrimiento de tántalo/nitruro de tántalo (Ta/TaN) mediante pulverización catódica pulsada de alta potencia por magnetrón (HiPPIMS, siglas en inglés para “high power impulse magnetron sputtering”), formando un conjunto multicapa con alternancia de una capa de tántalo con una capa de nitruro de tántalo. Con estos materiales y recubrimientos se consigue un comportamiento similar al habitual de titanio platinizado, pero con reducciones de coste significativas, como que con Ti/TiN por MS se logra una reducción en el coste del 87% y con Ta/TaN por HiPPIMS del 84%, en una producción de más de mil placas (1,2). Los procedimientos para aplicar el recubrimiento, MS y HiPPIMS, son importantes y definitorios en la distribución homogénea del recubrimiento y su durabilidad, ya que permiten la deposición de capas delgadas y uniformes a costes competitivos y escalables.

Como se aprecia en las figuras 4 a 7, los canales (5) centrales muestran un mayor alto (H) que los ubicados en los extremos. Además, como se aprecia en la figura 1, los canales (5) cercanos a los orificios de entrada (3) y salida (4) muestran una longitud (L) mayor, respecto al resto de ellos. Estas características particulares se han comprobado que ayudan a mejorar la eficiencia del electrolizador.

En la figura 8 se expone, a modo ilustrativo, una configuración de un electrolizador, con unas placas de amarre (11) o cierre con columnas para guiar las diferentes placas (1.2) y un conjunto intermedio (10). En una de las placas de amarre (11) se representan unos conductos de entrada (12) y de salida (13) del fluido al electrolizador. Entre placas (1,2) se dispone el conjunto intermedio (10) que consta, en secuencia, de una junta (10.1), una placa difusora líquido-gas (10.2), un ensamblado electrodo-membrana de intercambio protónico (10.3), otra placa difusora líquido-gas (10.2) y otra junta (10.1).

Así pues, según se ha expuesto los canales (5) y sus correspondientes costillas (7) pueden tener diferentes parámetros según sea el caso y se pueden calcular para cada aplicación concreta. Se han realizado diferentes modelos matemáticos mediante simulación fluidodinámica para determinar cuáles son aquellos canales (5) donde existen problemas de paso del flujo para un cierto caudal de agua. Para el desarrollo se ha contemplado la posición de los orificios de entrada (3) y salida (4), pues es determinante en la distribución de flujo dentro de cada placa (1,2). Se ha considerado que cada uno de los canales (5) se comportaría como una tubería individual de distribución de flujo, conectada a un orificio de entrada (3) y salida (4) común; a cada uno de los canales (5) se le puede asignar un diámetro equivalente, en función de su alto (H) y de su ancho (A), así como una pérdida de carga equivalente asociada a su longitud (L) y diámetro equivalente. Dados los caudales habituales en un electrolizador de membrana polimérica protónica y la reducida sección de cada uno de los canales (5), el flujo será predominantemente laminar, con una rugosidad relativa entre canales (5) con muy poca influencia. El caudal circulante por cada canal (5) puede vincularse a la sección establecida por el diámetro equivalente y a la velocidad de la mezcla bifásica en cada canal (5). Tras varias iteraciones matemáticas se ajustan los parámetros de cada uno de los canales (5) hasta conseguir una pérdida de carga similar en cada uno de los canales (5). De esta manera, partiendo del campo de velocidades original del diseño simple de canales (5) paralelos, tras sucesivas iteraciones se llega a un equilibrio entre todos los canales (5), la distribución de flujo es prácticamente idéntica para todos los canales (5), de modo que no existen rutas preferenciales y el aprovechamiento de la zona inundada (8) es idéntico en todos los lugares, lo que redunda en una mayor vida útil del electrolizador y limita la formación de puntos calientes o zonas de bloqueo.

Ejemplo

A continuación, se adjunta una tabla con diferentes valores ilustrativos, no limitativos, a modo de ejemplo y siguiendo el método de simulación citado aquí arriba, donde la potencia se expresa en kW, las dimensiones en mm -salvo indicación en cm- y los ángulos en grados.

Cada celda siempre está compuesta por dos placas (1,2), por lo que el número de placas será el número de celdas más uno.

Claims (7)

REIVINDICACIONES

1. -Placa (1,2) con canales para electrolizador de membrana polimérica protónica (PEM) con al menos una cara activa; la cara activa comprende un orificio de entrada (3) y un orificio de salida (4) de un fluido, dispuesto, cada uno de los orificios (3,4), en comunicación con varios canales (5) paralelos por una zona de transición (8.7), cada canal (5) tiene un ancho (A), un alto (H), una longitud (L) y una separación (S) entre canales (5) consecutivos configurada por costillas (7) rectilíneas, los canales (5) y la zona de transición (8.7) de cada uno de los orificios de entrada (3) y salida (4) configuran la zona inundada (8) de cada cara activa por donde puede discurrir el fluido, caracterizada por que la separación (S) entre canales (5) consecutivos es constante, el ancho (A) de cada canal (5) está entre 1 mm y 4 mm, el alto (H) de cada canal (5) está entre 1 mm y 5 mm, la zona inundada (8) queda limitada por un primer lado (8.1) lateral, por un segundo lado (8.2) lateral, por un primer tramo (8.3) inclinado entre 15° y 20° (a) desde el primer lado (8.1) hasta el orificio de entrada (3) y por un segundo tramo (8.4) inclinado entre 5° y 12° (P) desde el segundo lado (8.2) hasta el orificio de entrada (3), y por un tercer tramo (8.5) inclinado entre 5° y 12° (P) desde el primer lado (8.1) hasta el orificio de salida (4) y por un cuarto tramo (8.6) inclinado entre 15° y 20° (a) desde el segundo lado (8.2) hasta el orificio de salida (4), de manera que un tercio de los canales (5) se corresponden con el primer tramo (8.3) y dos tercios de los canales (5) se corresponden con el segundo tramo (8.4).

2. -Placa (1,2) según la reivindicación 1 en la que las esquinas que configuran los canales (5) y las costillas (7) están redondeadas.

3. -Placa (1,2) según la reivindicación 1 en la que la separación (S) entre canales (5) consecutivos está entre 0,9 mm y 3,6 mm.

4. -Placa (1,2) según la reivindicación 1 en la que se dispone al menos un pin (9) en la zona de transición (8.7) entre el orificio de entrada (3) o salida (4) y los canales (5).

5. -Placa (1,2) según la reivindicación 4 en la que la altura del pin (9) es igual al alto (H) máximo de los canales (5).

6. -Placa (1,2) según cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2 de acero inoxidable con recubrimiento de titanio/nitruro de titanio (Ti/TiN) mediante pulverización catódica por magnetrón (MS), formando un conjunto multicapa con alternancia de una capa de titanio con una capa de nitruro de titanio.

7. -Placa (1,2) según cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2 de acero inoxidable con recubrimiento de tántalo/nitruro de tántalo (Ta/TaN) mediante pulverización catódica pulsada de alta potencia por magnetrón (HiPPIMS), formando un conjunto multicapa con alternancia de una capa de tántalo con una capa de nitruro de tántalo.