ES2203969T3

ES2203969T3 - Sistema de pila de combustible.

Info

Publication number: ES2203969T3
Application number: ES98928325T
Authority: ES
Inventors: Norbert Berg; Gerhard Filip; Bernd Kohlstruck; Arnold Lamm
Original assignee: Alstom Energietechnik GmbH
Current assignee: Areva Energietechnik GmbH
Priority date: 1997-05-29
Filing date: 1998-05-28
Publication date: 2004-04-16
Anticipated expiration: 2018-05-28
Also published as: DE59809094D1; EP0985240B1; DE19722598B4; EP0985240A1; US6551731B1; DE19722598A1; WO1998054777A1; HK1026516A1; CA2291675A1; CA2291675C

Abstract

La invención se refiere a un sistema de pila de combustible (11, 111) que comprende una cámara de ánodo (13, 113) y una cámara de cátodo (14, 114) que se encuentran separadas una de la otra por medio de una membrana conductora de protones (15, 115). Cuando el sistema de pila de combustible se encuentra en funcionamiento, el combustible, especialmente el H{sub,2} o una mezcla de agua y metanol, se puede alimentar a la cámara de ánodo, y un oxidante, especialmente el oxígeno, se puede alimentar a la cámara de cátodo. En el modo en espera, la cámara de cátodo (14, 114) no puede ser atravesada y el oxidante y el combustible se encuentran presentes tanto en la cámara de cátodo (14, 114) como en la cámara de ánodo (13, 113). El sistema de pila de combustible permanece a una temperatura de trabajo durante dicho modo en espera. Esto hace posible usar el sistema de combustible (11) como una unidad de fuente de alimentación libre de interrupciones y como una unidad de reserva combinada.

Description

Sistema de pila de combustible.

La invención se refiere a un sistema de pila de combustible, así como a un procedimiento para el accionamiento de un sistema de pila de combustible, con un espacio de ánodo y un espacio de cátodo, los cuales están separados mutuamente por una membrana conductora de protones, siendo suministrable, en el estado de funcionamiento, al espacio de ánodo un combustible, y al espacio de cátodo un oxidante, especialmente oxígeno. La invención se refiere además a una disposición para el suministro, sin interrupción, de corriente al menos a un consumidor eléctrico, cuya energía puede ser tomada, en el caso normal, de una red de corriente alterna y, en el caso de fallo de una red de corriente alterna, de un sistema de pila de combustible, así como a un procedimiento para accionar esta disposición.

De la solicitud alemana de patente P 195 38 381 es conocida una disposición para el suministro, sin interrupción, de corriente a un consumidor eléctrico, en el que en el caso de un fallo de red, una pila de combustible llamada PEM (membrana de electrólito de polímero) se encarga del suministro de corriente al consumidor. Para este fin a la pila de combustible son suministrados, mediante líneas de alimentación, un combustible y un oxidante. En estas líneas de alimentación están contenidas válvulas, que están cerradas, en el estado de disponible de la pila de combustible, y, por tanto, cuando la red de corriente alterna está intacta. Cuando la pila de combustible está dispuesta no llega, por consiguiente, ni combustible ni oxidante a la pila de combustible. En el caso de un fallo de la red, las válvulas son abiertas y el combustible, así como el oxidante, son suministrados a la pila de combustible. La pila de combustible pasa, por tanto, al estado de funcionamiento. En este estado de funcionamiento el combustible y el oxidante reaccionan en la pila de combustible, por lo que se genera energía eléctrica.

El paso del estado de disponible al estado de funcionamiento de la pila de combustible es realizado, por consiguiente, con ayuda de válvulas. Tales válvulas, especialmente válvulas accionadas electromagnéticamente, tienen un tiempo de reacción de al menos 100 ms aproximadamente. Un fallo de la red puede ser compensado, por tanto, sólo después de un tiempo de fallo de, aproximadamente, 100 ms.

Es finalidad de la invención proporcionar un sistema de pila de combustible, así como un procedimiento para el accionamiento de un sistema de pila de combustible, así como una disposición para el suministro, sin interrupción, de corriente, con el que se pueda alcanzar el, o un, tiempo de fallo situado por debajo de 100 ms.

Se consigue esta finalidad en un sistema de pila de combustible o en un procedimiento según la Reivindicación 1 o la Reivindicación 16.

El oxidante está presente en el espacio de cátodo, por consiguiente, también en el estado de disponible y, por tanto, cuando la red de corriente alterna está intacta. En el caso de fallo de la red no se requiere, por lo tanto -tal como en el estado de la técnica-, abrir primeramente una válvula para suministrar el oxidante al espacio de cátodo. En su lugar, el oxidante está presente ya en el espacio de cátodo y el sistema de pila de combustible puede encargarse, por consiguiente, sin ninguna demora, del suministro de corriente al consumidor.

Mediante la invención se consigue, por tanto, que el tiempo de fallo entre el fallo de la red de corriente alterna y la asunción por el sistema de pila de combustible sea esencialmente menor de 100 ms. El sistema de pila de combustible según la invención puede ser utilizado, por consiguiente, preferiblemente en una disposición para el suministro, sin interrupción, de corriente a consumidores eléctricos.

En otra configuración ventajosa de la invención, el espacio de cátodo está conectado con una derivación de cátodo, que está provista de un miembro de cierre, especialmente una válvula magnética, que está cerrada en el estado de disponible. El espacio de cátodo puede ser cerrado, de esta manera, en el estado de disponible, al menos por un lado, de manera que, por una parte, el oxidante está presente en el espacio de cátodo y, por otra parte, no puede circular a través del espacio de cátodo. En el estado de disponible, el miembro de cierre está abierto, de forma que el oxidante puede fluir a través del espacio de cátodo. Tiene lugar entonces una reacción permanente del combustible y del oxidante.

En una configuración ventajosa de la invención, el espacio de cátodo está conectado con una primera línea de entrada de cátodo, la cual está unida, mediante un miembro de cierre, especialmente una válvula magnética, y/o un reductor de presión, con al menos un depósito, o un elemento similar, lleno con el oxidante. Esto representa una forma especialmente sencilla y económica de proporcionar el oxidante durante el estado de disposición.

En otra configuración ventajosa de la invención, el espacio de cátodo está conectado con una segunda línea de suministro de cátodo, la cual está conectada mediante un miembro de cierre, especialmente una válvula magnética, con un compresor, o un elemento similar, que aspira gas, especialmente aire. Es posible así, en el estado de funcionamiento, no sacar el oxidante, especialmente oxígeno, del depósito, sino aspirarlo sencillamente, por ejemplo, del aire. El oxidante es suministrado, por consiguiente, primeramente de un depósito al espacio de cátodo, para aspirar entonces, en el posterior funcionamiento, un gas, especialmente aire, en el espacio de cátodo. El oxidante contenido en el depósito no es así consumido en el estado de funcionamiento del sistema de pila de combustible, de manera que se requiere sólo rara vez un llenado o una sustitución del depósito.

En una configuración especialmente ventajosa de la invención, el combustible está presente disponible en el espacio de ánodo. El combustible puede estar presente además estáticamente en el espacio de ánodo, por ejemplo, en forma de hidrógeno de un recipiente de presión, o bien, es posible que el combustible, por ejemplo, un combustible líquido, fluya a intervalos, o continuamente, a través del espacio de ánodo. Es esencial sólo que el combustible esté presente en el espacio de ánodo y esté en la membrana. El combustible está presente, por consiguiente, también disponible, con la red intacta de corriente alterna, en el espacio de ánodo. En el caso de fallo de la red no se requiere -tal como en el estado de la técnica-, por tanto, abrir primeramente una válvula para suministrar el combustible al espacio de ánodo. En su lugar, el combustible está presente ya en el espacio de ánodo y el sistema de pila de combustible puede encargarse, sin ninguna demora, del suministro de corriente al consumidor.

En una configuración especialmente ventajosa, la pila de combustible es mantenida ya disponible en la zona de la temperatura óptima de funcionamiento. A 80º-100ºC la potencia de la pila de combustible es aproximadamente el doble que la potencia a la temperatura del espacio (20-30ºC). Se puede realizar esto regulando un circuito de un combustible líquido o mediante un circuito separado de templado. El calentamiento es realizado desde la red. Esta medida mejora el rendimiento inmediato del suministro de corriente en el caso de fallo de la red. Se puede disminuir claramente así el número de pilas conveniente para los costes de inversión.

El procedimiento según la invención proporciona un sistema de pila de combustible en el que cuando está disponible y, por tanto, cuando la red de corriente alterna está intacta, el espacio de cátodo, cerrado al menos por un lado, es llenado con el oxidante, con el fin de que éste esté presente en el espacio de cátodo, y el espacio de ánodo es llenado con el combustible, con el fin de que éste esté presente en el espacio de ánodo. Esto tiene la consecuencia de que el sistema de pila de combustible según la invención genera ya cuando está disponible una tensión de reposo.

Debido al espacio de cátodo, que no puede ser atravesado, podría suministrarse una corriente, sin embargo, sólo momentáneamente, en este estado, al sistema de pila de combustible, en el caso de una carga conectada, después de, por ejemplo, un fallo de la red. Se evita esto, de manera que para una transición del estado de disponible al estado de funcionamiento es abierto el miembro de cierre del espacio de cátodo. El espacio de cátodo no está ya, por tanto, cerrado, y el oxidante puede fluir ahora a través del espacio de cátodo. Pueden tener lugar, por consiguiente, continuamente, la reacción electroquímica en la pila de combustible, de modo que también es generada continuamente una corriente. El sistema de pila de combustible puede sustituir, en este estado de funcionamiento, la red de corriente alterna que ha fallado. Una pila de H_{2}/O_{2} de, aproximadamente, 1500 l suministra a 80ºC una potencia de 250 kW durante varias horas, con un nivel de ruido escaso, por debajo de 2 bar y, prácticamente, sin emisiones dañinas.

El período de tiempo requerido para la apertura del miembro de cierre asciende a 100 ms, aproximadamente, en válvulas accionadas electromagnéticamente. El citado tiempo de reacción de, aproximadamente, 100 ms, no representa en la invención, por tanto, ningún problema, porque en este tiempo, tal como ya se ha dicho, puede tener lugar ya una reacción suficiente, mientras que en el estado de la técnica, durante la apertura de la válvula no puede estar presente, debido al sistema, ninguna reacción. La disposición según la invención suministra corriente en 10 ms.

Mediante la presión ejercida sobre el espacio de cátodo y el espacio de ánodo, que, preferiblemente, es aproximadamente de la misma magnitud y que asciende a, por ejemplo, 2 bar aproximadamente, se consigue que no esté presente diferencia de presión a través de la membrana y, por consiguiente, no puedan aparecer deterioros en la membrana.

En otra configuración ventajosa de la invención, el espacio de ánodo para el suministro de un combustible líquido, por ejemplo, metanol, está conectado con un circuito de ánodo. Es especialmente conveniente que este circuito de ánodo esté provisto de una bomba y una calefacción. Por consiguiente, es posible, de forma sencilla, que el combustible fluya a través del espacio de ánodo. La pila de combustible, en estado de disponible, puede ser además mantenida de modo sencillo a una temperatura deseada.

En una configuración ventajosa de la invención, el circuito de ánodo está a una presión. Por tanto, el combustible es generado estando a una presión permanente en la membrana. La reacción entre el combustible y el oxidante es así mejorada, con la consecuencia de que el sistema de pila de combustible según la invención puede pasar, de forma particularmente rápida, del estado de disponible al estado de funcionamiento. En el caso de que se emplee metanol como combustible, se consigue además, por la presión ejercida en el circuito de ánodo, que disminuyan notablemente las pérdidas de metanol debidas a una evacuación de anhídrido carbónico.

En otra configuración ventajosa de la invención, el espacio de ánodo y el espacio de cátodo están colocados en una carcasa impermeable a los gases y, en caso necesario, impermeable también al calor. Se consigue así que la temperatura del combustible en el circuito de ánodo esté sometida a sólo pocas influencias exteriores y disminuya, por tanto, sólo escasamente, en particular, en el estado de disponible. Es especialmente conveniente que la carcasa esté a una presión, especialmente a una presión de nitrógeno. Se suprimen, por lo tanto, ampliamente fugas del espacio de ánodo y/o del espacio de cátodo. Mediante la presión de nitrógeno se evita además una ebullición de un combustible líquido, especialmente una ebullición de una mezcla de metanol y agua en el circuito del ánodo.

Otras características, posibilidades de utilización y ventajas de la invención resultan de la siguiente descripción de ejemplos de realización de la invención, los cuales están representados en las Figuras del dibujo.

La Fig. 1 muestra un diagrama esquemático de bloques de un ejemplo de realización de una disposición según la invención para el suministro continuo de corriente a al menos un consumidor eléctrico.

La Fig. 2 muestra un diagrama esquemático de bloques de un ejemplo de realización de un sistema de pila de combustible según la invención para uso en la disposición según la Fig. 1.

La Fig. 3 muestra un diagrama esquemático de bloques de un segundo ejemplo de realización de un sistema de pila de combustible según la invención para uso en la disposición según la Fig. 1.

La Fig. 4 muestra un diagrama esquemático de bloques del suministro de gas a la pila de combustible mostrada en la Fig. 3.

En la Fig. 1 está representada una disposición 1 para el suministro continuo de corriente a al menos un consumidor eléctrico. Una disposición semejante puede estar prevista, por ejemplo, como el llamado "suministro continuo de corriente (USV)" en un centro de cálculo o en una instalación similar. El consumidor, por ejemplo, los aparatos eléctricos está presente en el centro de cálculo, está conectado, en el caso normal, a una red de corriente alterna. En el caso de fallo de ésta, la disposición 1 se encarga del suministro de corriente al consumidor. Normalmente se exige además a la disposición 1 que una asunción del suministro de corriente sea posible en unos pocos milisegundos.

En la Fig. 1 está representada una pluralidad de consumidores eléctricos 2 mediante símbolos de resistencia. Los consumidores 2 están conectados, mediante un conectador-bypass común 3, con un conectador 4 de conexión rápida. El conectador 4 es un elemento de conexión sin contacto, por ejemplo, tiristores conectados antiparalelamente o componentes similares.

La entrada del conectador 4 está conectada, mediante una bobina de reacción 5, con una red de corriente alterna 6. Están previstos además un primer, y en caso necesario otros, onduladores 7, los cuales están conectados mutuamente en paralelo, y que están conectados con la salida, del lado del consumidor, del conectador 4.

Entre la red de corriente alterna 6 y el ondulador 7 está conectado un rectificador auxiliar 8, que cubre las pérdidas de marcha en vacío del ondulador 7. El rectificador auxiliar 8 alimenta además un aparato de mando 9, que está conectado con la entrada de mando del conectador 4.

Los rectificadores de entrada del ondulador 7 están conectados con una capacidad 10, conectada a masa, así como con un sistema de pila de combustible 11, con este último mediante una línea eléctrica 12.

En el funcionamiento normal de la red de corriente alterna 6, una corriente fluye, a través de los conectadores cerrados 4 y 3, hacia los consumidores 2. Si en la red de corriente alterna 6 aparece ahora un fallo, es reconocido por el aparato de mando 9. El aparato de mando 9 conecta el conectador 4 en su estado abierto. El suministro de corriente al consumidor 2 es asumido ahora por el sistema de pila de combustible 11 mediante el ondulador 7. La capacidad 10 sirve además para puentear el proceso de conmutación de la red de corriente alterna 6 con el sistema de pila de combustible 11, así como para el filtrado de la tensión generada por el sistema de pila de combustible 11.

En la Fig. 2 está representado detalladamente un primer ejemplo de realización del sistema de pila de combustible 11. Presenta un espacio de ánodo 13 y un espacio de cátodo 14, los cuales están separados por una membrana conductora de protones 15. El espacio de ánodo 13, el espacio de cátodo 14 y la membrana 15 constituyen la llamada "pila de combustible de metanol directo (DMFC)", en la que puede ser generada energía eléctrica mediante un proceso electroquímico. Esta puede ser tomada de la línea eléctrica 12 en forma de una tensión eléctrica o de una intensidad eléctrica.

El espacio de ánodo 13 está conectado con un circuito de ánodo 16 que, a partir de una derivación de ánodo 17, mediante un refrigerador 18, un separador de dos cámaras 19, una calefacción 20, una válvula de termostato 21 y una bomba de refrigerante 22, está conectado con una línea de alimentación de ánodo 23. Otro separador 24 está conectado, por una parte, con la derivación de ánodo 17, así como, por otra parte, con la válvula de termostato 21. Mediante una bomba dosificadora 25, un depósito 26 está conectado con el circuito de ánodo 16, antes de la bomba de refrigerante 22.

El espacio de cátodo 14 está conectado, mediante una derivación de cátodo 27, con una válvula magnética 28, que está unida, en el lado de salida, con un quemador catalítico 29. El espacio de cátodo 14 está unido, mediante una línea de entrada al cátodo 30, así como mediante un reductor de presión 31 y una válvula magnética 32, con un depósito 33. La línea de entrada de cátodo 30 está conectada también con una válvula magnética 34 que está unida, mediante una válvula magnética de by-pass 35, con el lado, alejado de la válvula magnética 28, del quemador catalítico 29.

Los dos lados de la válvula magnética by-pass 35 están conectados con las salidas de una unidad de compresor-expansor 37 accionada por un motor 36. Una de las entradas de la unidad 37 aspira aire a través de un filtro 38. La otra entrada de la unidad 37 está unida, por un refrigerador 39, una salida 40 y una bomba 41, con el separador 19 del circuito de ánodo 16. Este separador 19 está unido además, por una válvula magnética 42, con el quemador catalítico 29.

En una carcasa 43 están colocados el espacio de ánodo 13, el espacio de cátodo 14, la membrana 15, el circuito de ánodo 16 con la derivación de ánodo 17, el refrigerador 18, el separador 19, la calefacción 20, la válvula de termostato 21, la bomba de refrigerante 22, la línea de entrada de ánodo 23 y el separador 24, así como la derivación de cátodo 27, la válvula magnética 28, la línea de entrada de cátodo 30 y la válvula magnética 34. La carcasa 43 está realizada de forma impermeable a los gases, resistente a la presión y aislante térmicamente. La carcasa 43 está conectada, por un reductor de presión 44, con un depósito 45. El depósito 45 está conectado además, mediante el reductor de presión 44, con el separador 19 del circuito de ánodo 16.

En el depósito 33 está presente oxígeno, que está previsto como oxidante. El depósito 26 contiene metanol, que está previsto como combustible. En el depósito 45 está contenido nitrógeno, que está previsto como medio de presión. En el circuito de ánodo 16 está prevista también agua como refrigerante.

Cuando la red de corriente alterna está intacta, el sistema de pila de combustible 11 se encuentra en un estado de disponible en el que la válvula magnética 28 está cerrada. Las válvulas magnéticas 34 y 42, así como la válvula de by-pass 35, están también cerradas. La válvula magnética 32 está abierta.

Debido a que las válvulas magnéticas 28 y 34 están cerradas, y a que la válvula magnética 32 está abierta, el espacio de cátodo 14 es llenado con oxígeno procedente del depósito 33. El oxígeno está presente después en el espacio de cátodo 14 y está a una presión en la membrana 15. La presión es regulable mediante el reductor de presión 31 a un valor deseado, por ejemplo, a 2 bar. Sin embargo, debido a que la válvula magnética 28 está cerrada, el oxígeno no puede atravesar el espacio de cátodo 14.

En el espacio de ánodo 13 y en el circuito de ánodo 16 está presente una mezcla de metanol y agua. La temperatura de la mezcla de metanol y agua asciende a, aproximadamente, 110º. La bomba de refrigerante 22, la bomba dosificadora 25, así como la bomba 41, están desconectadas. La calefacción 20 y la unidad de compresor-expansor 37 están también desconectadas.

Si, con el tiempo, cae la temperatura de la mezcla de metanol y agua, y desciende hasta una temperatura de, por ejemplo, 100º aproximadamente, son conectadas la calefacción 20 y la bomba de refrigerante 22. La mezcla de metanol y agua es así transportada y calentada en el circuito de ánodo 16.

Los componentes eléctricos del sistema de pila de combustible 11 conectados en el estado disponible son alimentados con energía eléctrica de la red de corriente alterna 6.

La presión del nitrógeno del depósito 45 es transmitida, mediante el separador 19 del circuito de ánodo 16 al espacio de ánodo 13. Esta presión es regulable, mediante el reductor de presión 44, a un valor deseado, por ejemplo, a 2 bar. La mezcla de metanol y agua está, por consiguiente, a esta presión en la membrana 15.

La membrana 15 es conductora de protones. La mezcla de metanol y agua está presente en el espacio de ánodo 13 es transformada, mediante cesión de protones de hidrógeno y electrones, en anhídrido carbónico. Los protones de hidrógeno llegan a través de la membrana 15 y reaccionan con el oxígeno está presente en el espacio de cátodo 14 convirtiéndose en agua. Mediante los electrones formados en esta reacción química se origina la tensión o la corriente eléctrica, ya mencionada, en la línea eléctrica 12.

En el estado disponible del sistema de pila de combustible 11, el espacio de cátodo 14 está, tal como se ha aclarado, cerrado al menos por un lado, de manera que el oxígeno está presente bien en el espacio de cátodo 14, pero, sin embargo, no puede circular a través de éste. La consecuencia de esto es que tiene lugar la mencionada reacción química en la periferia del oxígeno está preséntente, y va después al estado de reposo. Se origina así una tensión eléctrica en la línea 12.

En las Figs. 3 y 4 está representado detalladamente un segundo ejemplo de realización del sistema de pila de combustible. El sistema de pila de combustible 111 presenta un espacio de ánodo 113 y un espacio de cátodo 114, que están separados por una membrana conductora de protones 115, y un circuito de regulación. El espacio de ánodo 113, el espacio de cátodo 114 y la membrana 115 constituyen una pila de combustible de hidrógeno (PEMFC) en la que, mediante un proceso electroquímico, puede ser generada energía eléctrica. Se puede tomar ésta de la línea eléctrica 112 en forma de una tensión eléctrica o de una corriente eléctrica.

El espacio de ánodo 113 está conectado, mediante una derivación de ánodo 117 con un miembro de cierre, una válvula magnética 142. Corriente abajo del miembro de cierre 142 se encuentra un separador 119, con un desagüe para agua y una salida para gases, que desemboca, mediante una válvula, en el exterior. El espacio de ánodo 113 está conectado también con un circuito de ánodo 116 que, a partir de la derivación de ánodo 117 está conectado, mediante una válvula magnética 124 y una bomba de inyección 125, con una línea de entrada de ánodo 123. La línea de entrada de ánodo 123 está unida, mediante al menos un reductor de presión 147, con un depósito de hidrógeno 126. Como depósito de hidrógeno pueden ser utilizados tanto una botella de acero a presión, como un depósito de hidruro de metal.

El espacio de cátodo 114 está conectado, mediante una derivación de cátodo 127, con un miembro de cierre, una válvula magnética 128. Corriente abajo del miembro de cierre 128 se encuentra un separador 140 con un desagüe para agua y una salida para gases, que, mediante una válvula 141, desemboca en el exterior. Entre la salida del espacio de cátodo y la válvula magnética 128, la derivación de cátodo 127 está conectada por un circuito de cátodo 135, mediante una válvula magnética 129 y una bomba de inyección 139, con una línea de entrada de cátodo 130. El espacio de cátodo 114 está unido, mediante la línea de entrada de cátodo 130, así como mediante un reductor de presión 131 y una válvula magnética 132, con un depósito de oxígeno 133. La línea de entrada de cátodo 130 está conectada también con una unidad de compresor 137. Una de las entradas de la unidad 137 aspira aire mediante un filtro 138.

La pila de combustible está equipada también con un circuito de regulación. El agua de refrigeración es transportada por una bomba de circulación 122 a través de una calefacción 120 y un refrigerador 118. Una válvula de termostato de tres vías 121 permite un bypass del refrigerador 118 y de la calefacción 120, cuando la temperatura de la pila se encuentra comprendida dentro del campo teórico de 80 a 90ºC. Cuando la temperatura baja por debajo de 70º, la válvula de termostato 121 conecta el circuito mediante la calefacción conectada, que es alimentada en estado disponible por la red.

El espacio de ánodo 113, el espacio de cátodo 114, la membrana 115, el circuito de ánodo 116, el circuito de cátodo 135, el circuito de regulación con el refrigerador 118, la calefacción 120 y la bomba de circulación 122, los separadores 119 y 141, así como las líneas de entrada y de derivación de estas partes, están colocados en una carcasa 143. La carcasa 143 es impermeable a los gases, resistente a la presión y aislante térmico. Mediante una línea de entrada 134 y un reductor de presión 144, la carcasa 143 está conectada con un depósito 145. En el depósito 145 está contenido nitrógeno, que está previsto como medio de presión.

Cuando la red de corriente alterna 6 está intacta, el sistema de pila de combustible 111 se encuentra en un estado disponible, en el que las válvulas magnéticas 128 y 142 están cerradas. Además, las válvulas magnéticas 124 y 129 están cerradas. La válvula magnética 132 está abierta. Debido a que la válvula magnética 128 está cerrada, y la válvula magnética 132, abierta, el espacio de cátodo 114 es llenado con oxígeno del depósito 133. El oxígeno está con una presión en la membrana 115. La presión puede estar regulada, mediante el reductor de presión 131, a un valor deseado, por ejemplo, a 2 bar. El oxígeno no puede circular, sin embargo, debido a que las válvulas magnéticas 128 y 129 están cerradas, a través del espacio de cátodo 114. Debido a que la válvula magnética 142 está cerrada, el espacio de ánodo 113 es llenado con hidrógeno procedente del depósito 126. El hidrógeno está a presión en la membrana 115. La presión puede estar regulada mediante el reductor de presión 147 a un valor deseado, por ejemplo, la misma presión que la del espacio de cátodo. El hidrógeno no puede circular, debido a que las válvulas magnéticas 142 y 124 están cerradas, a través del espacio de ánodo. La presión de nitrógeno que reina en el espacio interior 149 de la carcasa 143 puede ser regulable también mediante el reductor de presión 144. Mediante una salida 146 y un quemador (no mostrado) puede ser evacuado el nitrógeno a la atmósfera. Una pila de combustible que esté a presión (2 a 4 bar) sin contra-presión de nitrógeno en el espacio interior 149 tendría pérdidas por fugas de, aproximadamente, 1 a 2 mbar por minuto. Se formaría dentro de la carcasa, por consiguiente, al cabo de algún tiempo una mezcla de gas detonante H_{2} + O_{2}. Se evita esto mediante la compresión de la carcasa con N_{2}. Como, a pesar de la sobrepresión de N_{2}, no se puede impedir totalmente una escasa difusión de H_{2}, es realizado un lento lavado de N_{2} de la carcasa 143 mediante la salida 146 y el quemador.

Una posibilidad de una regulación de las presiones de gas y las corrientes está mostrada en la Fig. 4: Los tres reductores de presión 131, 144 y 147 son regulados a un escalón intermedio constante de presión que, por ejemplo, disminuya la presión de 200 bar en las botellas hasta 6 bar. El reglaje de precisión es realizado mediante tres válvulas PIC (PIC = Pressure Indicated Control) 150, 151, 152 conectadas posteriormente. En el caso de corte de corriente en la red y consumo de H_{2} + O_{2}, estas tres válvulas están abiertas hasta un valor prefijado de la presión. En el estado disponible están cerradas, y los gases están con la presión prefijada en la membrana 115. En las líneas de entrada de H_{2} y O_{2}, antes de las válvulas 150 y 151 están conectadas, respectivamente, dos válvulas FIC (FIC = Flow Indicated Control) 153 y 154 para la regulación de corriente másica.

La membrana 115 es conductora de protones. El H_{2} está preséntente en el espacio de ánodo 113 es capaz de emitir protones de hidrógeno y electrones. Los protones de hidrógeno llegan, a través de la membrana 115, y reaccionan con el oxígeno está preséntente en el espacio de cátodo de 114, produciéndose agua. Mediante los electrones formados en esta reacción química, se origina la tensión eléctrica, ya mencionada, en la línea eléctrica 112.

La bomba de circulación 122, la calefacción 120 y la unidad de refrigeración 118 son desconectadas o conectadas automáticamente, según se necesite, en el estado disponible. Si, con el tiempo, cae la temperatura de la pila y queda por debajo de una temperatura de, por ejemplo, aproximadamente 70ºC, es conectada la calefacción 120. El agua es bombeada y calentada en el circuito de regulación. A los componentes de la pila de combustible 111, conectados en el estado disponible, es suministrada energía eléctrica de la red de corriente alterna 6.

Partiendo del estado disponible, es descrita ahora la forma de funcionamiento del sistema de pila de combustible según la invención, en el caso de fallo de la corriente, a partir de dos ejemplos de realización 11 ó 111.

Si, en el estado disponible descrito, el sistema de pila de combustible 11 o el sistema 111 fuese impulsado con una carga eléctrica, por ejemplo, de los consumidores 2, esto tendría la consecuencia de que la citada tensión caería rápidamente, debido a que el espacio de cátodo 14 ó 114 está cerrado y a la cantidad consiguientemente limitada de oxígeno está preséntente. La corriente suministrable por el sistema de pila de combustible será también relativamente escasa. El curso de la tensión, así como también el de la intensidad, dependería del volumen del espacio de ánodo 13 ó 113 y del espacio de cátodo 14 ó 114, y, por tanto, del número de pilas está presenténtes.

Si se reconoce ahora un corte de la red de corriente alterna 6 por el aparato de mando 9, es abierta, según la invención, la válvula magnética 28 ó 128. El sistema de pila de combustible 11 ó 111 pasa a su estado de funcionamiento. La consecuencia de esto es que el espacio de cátodo 14 ó 114 no está ya cerrado, y que el oxígeno puede circular a través del espacio de cátodo 14, 114. Puede tener lugar, por tanto, una reacción química permanente en el sistema de pila de combustible 11, 111. Reacciona, por consiguiente, continuamente, en el sistema 11, la mezcla de metanol y agua en el espacio de ánodo 13 reaccionando protones de hidrógeno con electrones emitidos, produciéndose anhídrido carbónico, y reaccionando los protones de hidrógeno que han atravesado la membrana 15 ó 115 con el oxígeno en el espacio de cátodo 14 ó 114, produciéndose agua. Mediante los electrones generados permanentemente se proporciona, de forma continua, una tensión o una corriente en la línea 12 ó 112.

Esta tensión eléctrica en la línea 12 ó 112 es conservada mediante la capacitancia 10 y transmitida, mediante el ondulador 7 al consumidor eléctrico 2, al que se suministra ahora corriente procedente del sistema 11 ó 111. En este estado de funcionamiento del sistema de pila de combustible, el sistema de pila de combustible sustituye, por consiguiente, el suministro de energía al consumidor 2 desde la red de corriente alterna 6.

En el sistema de pila de combustible 11, en el paso del estado de disponible al estado de funcionamiento, son abiertas además de la válvula magnética 28, ya mencionada, también la válvula magnética de bypass 35 y la válvula magnética 42. Además, es conectado el motor 36 y, por tanto, la unidad de compresor-expansor 37, la bomba 41 y la bomba de refrigerante 22, así como desconectada la calefacción 20.

En el estado de funcionamiento, debido a la reacción química que transcurre permanentemente, es generado calor. Así la mezcla de metanol y agua abandona el espacio de ánodo 13 con una temperatura de, aproximadamente, 110º y es enfriada después por el refrigerador 18 hasta una temperatura de, aproximadamente, 40º En el siguiente separador 19 es separado anhídrido carbónico gaseoso y suministrado mediante la válvula magnética 42 abierta al quemador catalítico 29. Allí, el anhídrido carbónico separado es quemado junto con, dado el caso, metanol residual también separado. Los gases de escape originados son expandidos por la unidad de compresor-expansor 37 y se vuelve a recuperar el agua ayuda del refrigerador 39. Este agua puede ser suministrada, mediante la bomba 41 conectada al separador 19 del circuito de ánodo 16. La mezcla de metanol y agua enfriada está preséntente en el separador 19 llega ahora, mediante la válvula de termostato 21, nuevamente al espacio de ánodo 13. Allí, la mezcla de metanol y agua, mediante el separador 24, y dependiendo de la válvula de termostato 21, es mezclada con una cantidad de mezcla caliente de metanol y agua tal que se origine en total una mezcla de, aproximadamente, 90º hasta, aproximadamente, 110º, la cual está presente entonces en la línea de entrada de ánodo 23. Mezcla caliente sobrante de metanol y agua llega, procedente del separador 24, al refrigerador 18. Además, en el estado de funcionamiento del sistema de pila de combustible 11, la bomba dosificadora 25 está conectada, de manera que es añadido nuevo metanol al circuito de ánodo 16.

En un primer y breve período de tiempo de, aproximadamente, 2 seg. a, aproximadamente, 20 seg., por ejemplo, de 4 a 5 seg., después del paso del sistema de pila de combustible 11 del estado de disponible al estado de funcionamiento, es suministrado al espacio de cátodo 14 el oxígeno del depósito 33. En este período de tiempo se eleva el número de revoluciones de la unidad de compresor-expansor 37, conectada con el paso, y alcanza el número de revoluciones de funcionamiento. Durante este funcionamiento a elevado número de revoluciones, el aire aspirado por la parte de compresor de la unidad de compresor-expansor 37 es enviado a través del filtro 38, a través de la válvula magnética de bypass 35 abierta. Después del funcionamiento a elevadas revoluciones y, por tanto, después del citado período de tiempo, la válvula magnética 34 es abierta y la válvula magnética de bypass 35 nuevamente cerrada. Por consiguiente, el aire aspirado por la parte de compresor de la unidad de compresor-expansor 37 es suministrado al espacio de cátodo 14. El espacio de cátodo 14 recibe, por tanto, mediante el aire aspirado, el oxígeno necesario para la reacción química. La válvula magnética 32 es puesta después en un estado cerrado, de manera que ningún otro oxígeno puede fluir más del depósito 33 al espacio de cátodo 14.

En el sistema de pila de combustible 111, en el paso del estado de disponible al estado de funcionamiento, son abiertas, además de la válvula magnética 128, las válvulas magnéticas 129, 142 y 124. Las válvulas magnéticas 141 y 148 son cerradas primeramente en el estado de funcionamiento.

Mediante el retorno de gas a través del circuito de ánodo 116 y el circuito de cátodo 117 son mezclados gases de escape saturados secos con oxígeno a presión seco o hidrógeno. Un humedecimiento adicional no es, por tanto, absolutamente necesario. La pérdida de presión a consecuencia del retorno de los gases es compensada con ayuda de las bombas de inyección 125 y 139.

En estado de funcionamiento es generado, por la reacción electroquímica, calor suficiente, de manera que la calefacción 120 no es utilizada. En el caso de sobretemperatura, mediante puesta en marcha de la bomba de circulación, se puede llevar, mediante el refrigerador 118, la temperatura del agua de refrigeración, hasta, aproximadamente, 80ºC. El H_{2}O formada por la reacción electroquímica es separada en los separadores 119 y 140. Puede alimentar, a través de una válvula 155, el circuito de regulación o ser suministrada (línea no mostrada) a un humedecedor de aire 155 en la línea de entrada 130.

Para cortes de corriente de más de 18 s-20 s se cambia del funcionamiento de oxígeno al funcionamiento de aire. El compresor 137 funciona a alta velocidad y aspira, a través del filtro 138, aire. Después del aumento de la presión de aire, se abren la válvula magnética 136 y la válvula 141, mientras que son cerradas la válvula magnética 132, así como la válvula magnética 129 del circuito de cátodo. La válvula 148 puede ser abierta, de vez en cuando, con fines de desgasificación (purgado). El aire puede ser humedecido adicionalmente mediante el humedecedor 155. La regulación de caudal másico de la corriente de H_{2} y O_{2}- inicial y de la corriente de aire posterior es realizada con las válvulas PIC y FIC, 150, 151, 152, 153, 154, abiertas en el estado de funcionamiento.

Los componentes eléctricos, conectados en el estado de funcionamiento, de los sistemas de pila de combustible 11 y 111 son alimentados con energía eléctrica del sistema de pila de combustible.

El sistema de pila de combustible asegura, por consiguiente, en su estado de funcionamiento, después de un corte de la red de corriente alterna 6, mediante el oxígeno suministrado del depósito 33 ó 133, un suministro continuo de corriente al consumidor 2. Después de una conmutación del compresor 37 ó 137 y una desconexión del depósito 33 ó 133, el sistema de pila de combustible 11 ó 111 representa una instalación de sustitución de red, que utiliza, esencialmente, sólo metanol o H_{2}. El oxígeno en el depósito 33, 133 y el nitrógeno en el depósito 45, 145 no son ya consumidos escasamente o nada.

En el estado de disponible, el consumo de oxígeno, nitrógeno y H_{2} o metanol por el sistema de pila de combustible es casi cero. Es consumida ahora, a ciertos intervalos temporales, energía eléctrica para la calefacción 20, 120 y la bomba de medio de refrigeración 22 ó 122.

Claims

1. Sistema de pila de combustible (11, 111) con un espacio de ánodo (13, 113) y un espacio de cátodo (14, 114), los cuales están separados mutuamente por una membrana (15, 115) conductora de protones, siendo suministrable, en el estado de funcionamiento, al espacio de ánodo (13, 113), un combustible, y al espacio de cátodo (14, 114), un oxidante, estando presente, en un estado de disponible, el combustible en el espacio de ánodo (13, 113), y no siendo atravesable, en el estado de disponible, el espacio de cátodo (14, 114) y estando llenado el espacio de cátodo (14, 114) con el oxidante.

2. Sistema de pila de combustible de acuerdo con la Reivindicación 1, caracterizado porque el oxidante está constituido, total o parcialmente por oxígeno (O_{2}, L) en forma gaseosa, y está a presión en la membrana (15, 115).

3. Sistema de pila de combustible de acuerdo con la Reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el espacio de cátodo (14, 114) está conectado con una derivación de cátodo (27, 127), la cual está provista de un miembro de cierre de derivación de cátodo, especialmente de una válvula magnética (28, 128) que, en el estado de disponible, está cerrada.

4. Sistema de pila de combustible de acuerdo con una de las Reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el espacio de cátodo (14, 114) está conectado con una línea de entrada de cátodo la cual, mediante un primer miembro de cierre, especialmente una primera válvula magnética (32, 132) y/o un reductor de presión (31, 131), está conectada con al menos un depósito (33, 133) lleno de oxidante, estando abierto, en el estado de disponible, el citado primer miembro de cierre (32, 132).

5. Sistema de pila de combustible de acuerdo con la Reivindicación 4, caracterizado porque el espacio de cátodo está conectado mediante la línea de entrada de cátodo y un segundo miembro de cierre, especialmente una válvula magnética (34, 136), con un compresor (37, 137) que aspira un gas, especialmente aire (L), o con una unidad similar.

6. Sistema de pila de combustible de acuerdo con una de las Reivindicaciones precedentes, caracterizado porque en el estado de disponible, el combustible está presente en el espacio de ánodo (13, 113).

7. Sistema de pila de combustible de acuerdo con una de las Reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el combustible está a presión en la membrana (15, 115).

8. Sistema de pila de combustible de acuerdo con la Reivindicación 6 ó 7, caracterizado porque el espacio de ánodo está conectado con un circuito de ánodo (16, 116).

9. Sistema de pila de combustible de acuerdo con la Reivindicación 8, caracterizado porque el combustible está constituido por una mezcla de agua y metanol y porque el circuito de ánodo (16) está provisto de medios de regulación de la temperatura, especialmente de una bomba (22) y una calefacción (20).

10. Sistema de pila de combustible de acuerdo con la Reivindicación 9, caracterizado porque el circuito de ánodo (16) está a la presión de un gas inerte, especialmente a una presión de nitrógeno.

11. Sistema de pila de combustible de acuerdo con una de las Reivindicaciones 6 a 8, caracterizado porque el combustible es hidrógeno y porque el espacio de ánodo está conectado con una derivación de ánodo 117, la cual está provista de un miembro de cierre de derivación de ánodo, especialmente de una válvula magnética (142), la cual, en el estado de disponible, está cerrada.

12. Sistema de pila de combustible de acuerdo con la Reivindicación 11, caracterizado porque el circuito de ánodo (116) y el circuito de cátodo están conectados mediante bomba de inyección (125, 139) y miembros de cierre, especialmente válvulas magnéticas (124, 129), y porque están conectadas, respectivamente, con la línea de entrada de ánodo 123 y la línea de entrada de cátodo 130.

13. Sistema de pila de combustible de acuerdo con una de las Reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la pila de combustible está colocada en una carcasa impermeable a los gases y, dado el caso, a prueba de calor, estando la carcasa conectada con un recipiente a presión (45, 145) de un gas, especialmente, nitrógeno.

14. Sistema de pila de combustible de acuerdo con una de las Reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el sistema de pila de combustible (11, 111) está equipado con un circuito de regulación de la temperatura (16, 118, 120, 121, 122).

15. Disposición para el suministro de corriente sin interrupciones a al menos un consumidor eléctrico, cuya energía puede ser tomada, en el caso normal, de una red de corriente alterna, y, en el caso de fallo de la red de corriente alterna, de un sistema de pila de combustible, caracterizándose la disposición porque el sistema de pila de combustible está previsto de acuerdo con una de las Reivindicaciones precedentes, encontrándose, en el caso normal, el sistema de pila de combustible, en el estado de disponible.

16. Procedimiento para el accionamiento de una disposición de acuerdo con la Reivindicación 15, caracterizado porque el espacio de cátodo no es configurado, en un estado de disponible, de forma que pueda ser atravesado, y es llenado con oxidante, y porque el espacio de ánodo es llenado con el combustible.

17. Procedimiento de acuerdo con la Reivindicación 16, caracterizado porque el espacio de ánodo está configurado, en el estado de disponible, de forma que no puede ser atravesado.

18. Procedimiento de acuerdo con la Reivindicación 16 ó 17, caracterizado porque en el estado de disponible, el combustible y el oxidante están a presión en la membrana.

19. Procedimiento de acuerdo con una de las Reivindicaciones 16 a 18, caracterizado porque, para un paso del estado de disponible al estado de funcionamiento, es abierto un miembro de cierre de derivación de cátodo y suministrado el oxidante al espacio de cátodo.

20. Procedimiento de acuerdo con la Reivindicación 19, caracterizado porque el oxidante es suministrado primeramente de un depósito al espacio de cátodo, y porque entonces es aspirado un gas, especialmente aire, en el espacio de cátodo.

21. Procedimiento de acuerdo con una de las Reivindicaciones 19 ó 20, caracterizado porque, para un paso del estado de disponible al estado de funcionamiento, es abierto un miembro de cierre de derivación de ánodo y es suministrado el combustible al espacio de ánodo.

22. Procedimiento de acuerdo con una de las Reivindicaciones 16 a 21, caracterizado porque el espacio interior de la carcasa (43, 143) del sistema de pila de combustible es mantenido a una sobrepresión de gas, especialmente nitrógeno.

23. Procedimiento de acuerdo con una de las Reivindicaciones 16 a 22, caracterizado porque la pila de combustible es mantenida, en el estado de disponible, a la temperatura de funcionamiento.