ES2213878T3 - Pila de combustible con medios para hacer girar el electrolito. - Google Patents
Pila de combustible con medios para hacer girar el electrolito.Info
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Abstract
COMPARTIMENTO DE COMBUSTIBLE QUE CONSTA DE UNA CAMARA (1) ADECUADA PARA ALOJAR DENTRO UN ELECTROLITO; UN SISTEMA PARA HACER GIRAR EL MENCIONADO ELECTROLITO ALREDEDOR DE UN EJE (19) DE LA CAMARA; AL MENOS UNA ENTRADA PARA INTRODUCIR OXIDANTE (9) Y/O COMBUSTIBLE (4) EN LA CAMARA, QUEDANDO EL ELECTROLITO SEPARADO DEL EJE DE GIRO DE LA CAMARA; AL MENOS UN (8) ELECTRODO QUE SE PUEDE PONER EN CONTACTO CON EL ELECTROLITO Y EL OXIDANTE MENCIONADOS; AL MENOS UN (5) ELECTRODO QUE SE PUEDE PONER EN CONTACTO CON EL ELECTROLITO Y EL COMBUSTIBLE CITADOS. TAMBIEN SE OFRECE UN PROCEDIMIENTO PARA MEJORAR LA EFICACIA Y EL RENDIMIENTO DE LOS COMPARTIMENTOS DE COMBUSTIBLE.
Description
Pila de combustible con medios para hacer girar
el electrolito.
La presente invención se refiere a una pila de
combustible y, en particular, a una pila de combustible que
proporciona eficacia de funcionamiento incrementada maximizando el
área interfacial disponible entre fases de fluido de alta y baja
densidad o entre fases de
gas-líquido-sólido, a través de
cuyas fases pueden tener lugar la transferencia de calor y masa y
reacciones químicas. La presente invención proporciona también un
nuevo método de mejorar la eficacia y las prestaciones de pilas de
combustible sometiéndolas a rotación forzada.
Las pilas de combustible son dispositivos para
utilizar la conversión electroquímica de los cambios de energía
libre de una reacción química directamente en energía eléctrica.
Haciendo uso de reactivos gaseosos o sólidos (por ejemplo,
hidrógeno, oxígeno o polvos metálicos), pueden suministrarse los
reactivos anódicos y catódicos a sus respectivas cámaras desde las
cuales se produce la conversión de energía electroquímica. Una capa
de electrolito (frecuentemente un líquido) está dispuesta entre los
dos electrodos de una celda electroquímica. En el ánodo, la reacción
de media celda que implica el reactivo anódico produce electrones
que son transportados a través de un circuito externo al cátodo en
el que se recogen en la reacción de media celda que implica el
reactivo catódico, usualmente oxígeno. El circuito se completa por
el transporte de iones desde un electrodo al otro a través del
electrolito. La corriente que pasa a través del circuito eléctrico
externo proporciona potencia eléctrica y permite que se realice
trabajo mecánico a través de, por ejemplo, un motor eléctrico.
A diferencia de las baterías que almacenan
energía eléctrica, las pilas de combustible son productores de
energía que convierten la energía de las reacciones químicas
directamente en electricidad. Lo hacen de una forma tan limpia desde
el punto de vista medioambiental que no hay contaminantes dañinos
tales como los que surgen del encendido normal de combustibles en
procesos de combustión convencionales. Debido a que las pilas de
combustible no se limitan a las eficiencias termodinámicas (Carnot)
de motores de combustión interna (típicamente
40-50%), ofrecen perspectivas mucho mayores para
conseguir eficiencias (70-100%) y regímenes de
conversión de energía elevados. Sin embargo, para conseguir estas
eficiencias elevadas se requieren nuevos diseños de pilas de
combustible compactas que puedan extraer la energía electroquímica
de una manera más efectiva. La producción de potencia y las
prestaciones alcanzables están limitadas por la difusión lenta de
iones y electrones en la interfaz
reactivo-electrolito-electrodo,
especialmente en el caso en que el reactivo es gas.
Las pilas de combustible se clasifican
frecuentemente de acuerdo con su configuración de sistema básica.
Las clasificaciones más comunes incluyen: pilas de combustible de
ácido fosfórico (PAFCs); pilas de combustible de carbonato fundido
(MCFCs); pilas de combustible de óxido sólido (SOFCs); pilas de
combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFCs); pilas
de combustible alcalino (AFCs); y pilas de combustible de metanol
directo (DMFCs). En otra clasificación, los tipos de pilas de
combustible se agrupan de acuerdo con el combustible y el oxidante
consumidos, por ejemplo pilas de combustible de
hidrógeno-oxígeno (o aire); pilas de combustible de
compuestos orgánicos -oxígeno (o aire); pilas de combustible de
carbono o monóxido de carbono-aire; pilas de
combustible de compuestos nitrogenados- oxígeno (o aire); y pilas de
combustible de metal-oxígeno (o aire). Las pilas de
combustible convencionales son típicamente estructuras compuestas
casi estáticas que incorporan numerosas celdas electroquímicas
individuales apiladas en serie y en paralelo para generar la tensión
de salida y la densidad de corriente requeridas. La presente
invención abarca el tipo de pila de combustible de
metal-oxígeno y también el tipo de pila de
combustible de hidrógeno-oxígeno, pero no se limita
exclusivamente a ellos.
Por tanto, un objetivo de la presente invención
es proporcionar una pila de combustible con eficacia de trabajo
incrementada que alivie en cierto grado los problemas asociados con
pilas de combustible previamente utilizadas.
En consecuencia, la presente invención
proporciona una pila de combustible, que comprende:
\bullet una cámara adecuada para contener un
electrolito en ella;
\bullet medios para hacer girar dicho
electrolito sobre un eje de dicha cámara;
\bullet al menos una entrada para introducir
oxidante y/o combustible en dicha cámara, cuya entrada está
espaciada del eje de rotación de dicha cámara;
\bullet al menos un electrodo contactable con
dicho electrolito y dicho oxidante; y
\bullet al menos un electrodo contactable con
dicho electrolito y dicho combustible.
Opcionalmente, la pila de combustible puede
prever asimismo al menos una salida para la retirada de dicho
oxidante y/o dicho combustible adyacente a dicho eje de
rotación.
Opcionalmente, la pila de combustible puede
proporcionar también al menos una trampa para la recogida y/o
retirada de subproductos de la reacción electroquímica.
En todos los procesos de convección natural de la
tierra accionados por flotabilidad, las fuerzas de accionamiento
surgen a través de la interacción de materia con el campo de
gravitación de la tierra. Por tanto, la "velocidad de subida",
es decir, la velocidad natural conseguida por la fase más ligera,
tal como una burbuja, con respecto a la fase más pesada, usualmente
un líquido, está regida por el valor de la aceleración gravitacional
local, que en la tierra es aproximadamente constante a 9,81
m/s^{2}. Esta velocidad de subida puede incrementarse
sustancialmente intensificando el campo de aceleración local
mediante el uso de bastidores de rotación tales como dispositivos
centrífugos u otros dispositivos de centrifugación.
Por tanto, las fuerzas centrífugas que actúan
sobre la fase de electrolito, junto con las fuerzas centrífugas
inversas (centrípetas) que actúan sobre el oxidante y/o el
combustible, actúan conjuntamente para incrementar el caudal de
circulación total. Cuando la aceleración inercial inducida excede
del campo gravitacional local normal (l-g), este
proceso de flujo externamente forzado puede promover un incremento
en la producción volumétrica de sustancias químicas en un reactor y,
por tanto, mejorar el régimen total de la reacción química.
Ventajosamente, el campo de aceleración inducido
en la pila de combustible que sigue a la rotación sobre el eje de
simetría de la cámara puede promover y mejorar la circulación
interna de fluido sin la utilización de bombas. Con rotación fuerte,
cuando la velocidad angular es suficientemente alta para inducir una
aceleración lineal local sustancialmente mayor de
l-g (aproximadamente 9,81 m/s^{2}), este proceso
de flujo se denomina como "circulación natural mejorada por
centrifugación". La presente invención utiliza así ventajosamente
una circulación natural mejorada para proporcionar un incremento en
la salida de potencia de las pilas de combustible, tales como, por
ejemplo, pilas de combustible de metal-oxígeno (o
aire).
El incremento en la velocidad de subida de
burbujas trae consigo también un incremento concomitante en la
producción de sustancias químicas que pueden mejorar sustancialmente
el rendimiento de un proceso de reacción electroquímica. Esto es
particularmente ventajoso debido a que, generalmente, las
prestaciones de los reactores electroquímicos convencionales están
limitadas por el caudal máximo alcanzable de oxidante y/o
combustible (que son usualmente gases) que pasa a través de un
electrodo poroso a un electrolito (usualmente un líquido) y el área
interfacial disponible entre las diferentes fases a través de las
cuales tienen lugar la transferencia de calor y de masa y las
reacciones electroquímicas.
Los expertos en la materia apreciarán que la
rotación del electrolito alrededor de un eje de simetría de dicha
cámara puede conseguirse de una serie de formas. Sin embargo,
preferiblemente, los medios para hacer girar dicho electrolito
comprenden hacer girar dicha cámara. Por tanto, el reactor puede, en
una realización, comprender una centrífuga o similar.
En una realización, la cámara puede hacerse girar
disponiendo una pluralidad de paletas de guía y/o impulsores en las
mismas, que hacen que dicha cámara gire tras la introducción del
oxidante y/o el combustible en el reactor. En esta realización de la
invención, los impulsores/paletas de guía pueden estar dispuestos
fuera de dicha cámara, que puede disponerse a su vez dentro de una
carcasa externa. Por tanto, ventajosamente, la introducción del
oxidante y/o el combustible dentro de la carcasa imparte movimiento
a la cámara impactando sobre dichas paletas de guía antes de su
introducción en la cámara para la reacción. Por tanto, puede no ser
necesario un medio externo de rotación, tal como un motor eléctrico
o similar, induciéndose la rotación principalmente por la presión y
el cambio de cantidad de movimiento del oxidante y/o el combustible
introducidos que impactan sobre dichas paletas de guía para impartir
movimiento a la cámara.
Alternativamente, los medios para hacer girar el
fluido pueden comprender impulsores o deflectores rotativos o
similares dispuestos dentro de dicha cámara.
Cuando se hace girar el electrolito sobre un eje
de rotación, las fuerzas centrífugas y de Coriolis sirven para
incrementar las fuerzas de flotabilidad sobre el oxidante y/o el
combustible que entran en la pila de combustible a través de dicha
entrada. La pila de combustible trabaja así sobre un principio de
tipo "centrífuga inversa". El principio de "centrífuga
inversa" proporciona la acción por la cual puede mantenerse un
flujo continuo de un fluido de densidad inferior a través de otro
fluido de densidad mayor, siendo provocadas las fuerzas de
flotabilidad inducidas por las fuerzas centrípetas que actúan sobre
la fase más
ligera.
ligera.
Las pilas de combustible que se basan en una
recirculación continua de electrolito líquido podrían beneficiarse
del efecto de "centrífuga inversa". Por ejemplo, un gas, que
puede constituir el combustible y/o el oxidante, introducido en el
electrolito reducirá la densidad de fluido local y esta reducción de
densidad puede utilizarse para inducir una "circulación natural
mejorada" continua alrededor de la pila de combustible. Este
flujo de circulación se incrementa en proporción directa al
incremento en el campo de aceleración que resulta de un incremento
en la velocidad angular o velocidad de centrifugación. Además, la
"acción burbujeante" del gas puede incrementar sustancialmente
el régimen de reacción electroquímica incrementado el área
interfacial de gas-líquido-sólido en
los lugares de reacción. El gas puede suministrarse a presión a
través de boquillas o, más preferiblemente, rociadores situados
lejos del eje de rotación. Preferiblemente, las boquillas o medios
rociadores están dispuestos en las paredes de dicha cámara. Los
regímenes de transferencia de calor y masa se incrementan también.
Por tanto, la rotación sirve para promover e incrementar la
circulación natural continua y la producción de gases en una pila de
combustible de una manera análoga al flujo en una columna o disco de
burbuja centrífuga sin el uso de bombas. Un tipo de pila de
combustible particularmente adecuado que podría aprovechar el
principio de "centrífuga inversa" es la pila de combustible de
metal-oxígeno (o aire).
Para aplicaciones en el espacio en las que las
fuerzas gravitacionales derivadas de la tierra están prácticamente
ausentes, la creación de gravedad artificial por la rotación muy
rápida de centrífugas puede ser el único medio de conseguir procesos
de flujo de convección natural inducidos.
Preferiblemente, la entrada y la salida están
situadas en extremos opuestos de la cámara, lo que proporciona
ventajosamente el área interfacial máxima para que tengan lugar
reacciones electroquímicas. Preferiblemente, se dispone al menos un
conducto desde la entrada para conectar dicha entrada a las paredes
de la cámara. Preferiblemente, la introducción del oxidante y/o el
combustible en contacto con dicho electrolito y dichos electrodos
puede ser a través de medios rociadores. Esto proporciona
ventajosamente una pluralidad de entradas que suministran el
oxidante y/o el combustible para optimizar el área superficial
reactiva en la cámara. Ventajosamente, cuando se utiliza un gas los
medios rociadores suministran burbujas de un tamaño uniforme.
Preferiblemente, los electrodos comprenden
material poroso eléctricamente conductor. En una pila de combustible
de metal-oxígeno (o aire), el combustible de metal
es a su vez el electrodo. Este puede fabricarse en la forma de un
bloque poroso macizo o suministrarse como un polvo de metal
compactado de forma suelta retenido dentro de una jaula de metal
poroso, cuya jaula actúa como un contacto eléctrico y proporciona
también soporte estructural. El electrodo de oxígeno (o aire)
comprende preferiblemente un material macizo poroso eléctricamente
conductor tal como
sodio-tungsteno-bronce.
Una pila de combustible en la que el combustible
es un metal y el oxidante es oxígeno o aire representa una
realización preferida de la presente invención. En este caso, el
combustible de metal, tal como aluminio, magnesio o zinc, puede
proporcionarse en forma de un polvo o un bloque poroso. Cuando el
combustible utilizado es metal, la cámara ventajosamente comprende
de manera adicional una jaula porosa para contener dicho metal. En
este tipo de pila de combustible, el electrolito comprende
preferiblemente iones hidróxido, más preferiblemente dicho
electrolito comprende una solución acuosa hidróxido de potasio o de
sodio.
En una realización particularmente preferida de
la presente invención la cámara comprende deflectores internos que
definen pasos para la recirculación interna del electrolito. Aún más
preferiblemente, la cámara puede comprender adicionalmente una
trampa para la eliminación de productos de reacción de la pila.
En una realización preferida de la presente
invención la cámara puede subdividirse en cámaras más pequeñas para
crear una pluralidad de celdas electroquímicas que pueden conectarse
eléctricamente entre sí en serie o en paralelo.
Preferiblemente, la velocidad de rotación de la
cámara puede ser variable. Más preferiblemente, la rotación puede
ser inducida por un medio externo tal como un motor eléctrico, que
podría ser enterizo con la cámara exterior de la pila de
combustible.
Preferiblemente, la cámara es hecha girar con su
eje de centrifugación orientado en la dirección vertical.
En un aspecto adicional de la invención, puede
proporcionarse también un sistema de pila de combustible que
comprende una pluralidad de pilas de combustible según la presente
invención, cuyas pilas de combustible están conectadas físicamente
en serie entre sí y conectadas eléctricamente en serie o en paralelo
entre sí. Las conexiones eléctricas permiten que se varíen las
características eléctricas del sistema. En una realización preferida
del sistema de pila de combustible, las pilas de combustible están
montadas en un eje de centrifugación común.
La presente invención abarca también, dentro de
su alcance, un vehículo que comprende una pila de combustible o un
sistema de combustible como se describe aquí.
Según un aspecto adicional de la presente
invención, se proporciona un método para mejorar la eficacia y las
prestaciones de las pilas de combustible, cuyo método comprende
introducir un oxidante y/o combustible en contacto con un
electrolito presente en una pila de combustible según se define aquí
por medio de una o más entradas separadas del eje de rotación de
dicha cámara, hacer girar al electrolito sobre dicho eje de dicha
cámara y retirar opcionalmente cualquier oxidante no reaccionado y/o
combustible no reaccionado de la salida adyacente a dicho eje de
rotación.
Preferiblemente, el fluido en dicha cámara es
hecho girar haciendo girar dicha cámara. La cámara puede hacerse
girar por medios externos (por ejemplo, un motor eléctrico) o
alternativamente disponiendo paletas o deflectores de guía en dicha
cámara que hagan que dicha cámara gire tras la introducción de dicho
oxidante y/o combustible en dicha pila de combustible.
El método de la presente invención puede
comprender además la etapa de regenerar el combustible químico de
origen y el oxígeno de los subproductos de la reacción.
Aparte de los beneficios usuales reivindicados
por todas las pilas de combustible, tales como la "combustión"
electroquímica limpia con emisiones no dañinas a la atmósfera, las
ventajas adicionales reivindicadas de esta invención son básicamente
tres. (i) La acción centrífuga sirve para incrementar la presión de
funcionamiento dentro de la pila de combustible sin incrementar la
temperatura. No se entienden completamente las razones por las
cuales se incrementa aquí la producción eléctrica, pero podría ser
atribuible al incremento en el área de contacto interfacial entre el
gas y el electrolito en el lugar de reacción dentro de los poros del
electrodo, lo que influye directamente en el proceso de intercambio
de iones. (ii) Puede utilizarse la intensificación del campo de
aceleración inducido por la rotación para incrementar el rendimiento
del combustible y/u oxidante por la fuerza centrípeta hacia dentro
que actúa sobre la fase de gas, y la fuerza centrífuga hacia fuera
que actúa sobre la fase pesada, incrementando así el régimen de
difusión de gas y, de ahí, el régimen de reacción total y la
producción de potencia. (iii) La rotación puede ser mantenida
fácilmente por un motor eléctrico pequeño que deriva energía de la
propia pila de combustible y se monta en el eje de centrifugación
común. La potencia eléctrica sobrante o la energía cinética
giratoria podría utilizarse entonces para la tracción mecánica en
aplicaciones automotoras por motores eléctricos de accionamiento
directo, incorporando posiblemente técnicas de almacenamiento de
energía (volantes, baterías).
En una pila de combustible de
hidrógeno-oxígeno típica, se bombean a presión por
separado combustible gaseoso y oxidante a través de electrodos
porosos en contacto con un electrolito. La presurización les permite
funciona en condiciones de gravedad cero y en la tierra. Sin
embargo, una pila de combustible giratoria ofrece ventajas no
alcanzables en un sistema presurizado exclusivamente estático. Estos
beneficios se derivan no sólo del incremento de presión que los
acompaña. A través del efecto de "centrífuga inversa", las
fuerzas de flotabilidad incrementadas estimulan dinámicamente el
proceso de mezcla y difusión de gas/electrolito, mejorando así el
proceso de reacción química. Considérese, por ejemplo, la aplicación
de presión a un gas sobre la parte superior de un líquido estático.
Esto incrementará la solubilidad del gas en el líquido, pero el
régimen de incremento de la concentración de gas estará todavía
regido por la difusión molecular lenta en la interfaz de
gas-líquido. Sin embargo, el burbujeo del gas a la
misma presión a través del líquido aumentará mucho el régimen de
mezcla. La concentración de gas aumentará entonces mucho más
rápidamente debido a los efectos de turbulencia y otros efectos
dinámicos de burbujas. La elevación de la presión del sistema sirve
meramente para incrementar la densidad de la fase de gas y esto
tiene solamente una influencia relativamente pequeña en la
diferencia de densidad del líquido-gas que da lugar
a una elevación de la fuerza de flotabilidad. Por otro lado, el
incremento del campo de aceleración local (por rotación) tiene una
influencia muy fuerte en la flotabilidad, en la dinámica del
movimiento de burbujas y en "velocidad de subida" de las
burbujas. Por tanto, una pila de combustible giratoria puede
aprovecharse de efectos dinámicos no presentes en las pilas de
combustible presurizado estáticas convencionales.
Una realización de la invención comprende una
pila de combustible que utiliza combustible metálico (por ejemplo,
aluminio o zinc en polvo) y que comprende electrodos de
"oxígeno" de matriz porosas dentro de un electrolito líquido.
Tal pila de combustible puede beneficiarse también de los efectos
centrífugos cuando se construye como una pila de combustible
giratoria. Las ventajas adicionales sobre los diseños de pila de
combustible estática convencional son: (i) El gas oxidante (oxígeno
o aire) inyectado en el electrodo de oxígeno de matriz porosa, en
virtud de la intensa "acción de burbujeo" puede incrementar
significativamente el régimen de reacción creando una película de
gas-líquido pulsante en el "límite trifásico"
dentro del electrodo de oxígeno. Los movimientos rápidos aleatorios
de esta región de película humedecida localizada promueven un
incremento significativo en la transferencia de carga en la interfaz
de gas-líquido-sólido. (ii) La
corriente de gas ascendente reduce la densidad media de fluido en el
electrolito que rodea al electrodo de oxígeno lo que, junto con la
fuerza centrífuga incrementada debido a la rotación en el líquido de
la cámara de combustible, promueve la circulación natural mejorada
del electrolito alrededor de la pila. (iii) El oxígeno o el aire no
consumido en el proceso de reducción es descargado fácilmente de la
pila de combustible por medio de la separación mejorada de
gas-líquido en la superficie libre del electrolito
ayudada por los efectos centrífugos giratorios. (iv) Los
subproductos de los reactivos pueden "atraparse" efectivamente
lejos del eje de giro por fuerzas centrífugas sin impedir el flujo
de electrolito alrededor de la pila. Estos subproductos químicos
pueden eliminarse continuamente (o intermitentemente) o, en un
sistema de bucle cerrado, regenerarse para producir el combustible
de metal de origen más el oxígeno para la subsiguiente
reutilización. (v) Pueden utilizarse ventajosamente fuerzas
centrífugas como un medio de suministrar a la pila combustible
metálico fresco. Estas fuerzas centrífugas "hacia fuera" pueden
utilizarse para distribuir y compactar el combustible en polvo,
simplificando el diseño del sistema de suministro de combustible.
(vi) Puede mantenerse un "lecho fluidificado" de partículas de
combustible para producir un gran incremento en el área interfacial
entre el combustible y el electrolito. Esto mejora las prestaciones
y la eficacia de la pila de combustible totales aumentando el
régimen de reacción electroquímica. (vii) Se prefiere
particularmente aluminio en polvo debido a que es fácilmente
obtenible en una condición muy pura a bajo coste. Al ser fuertemente
electropositivo, proporciona así un combustible adecuadamente barato
que puede "quemarse" electromecánicamente sin liberar gases
nocivos. El sistema es también químicamente regenerativo con un bajo
coste de regeneración. (viii) La compacidad del combustible de metal
junto con la baja temperatura de funcionamiento resultan en menores
problemas de material, una fiabilidad más alta y una vida más larga
para la pila. Una configuración de centrifugación proporciona
también un diseño total más pequeño, y de ahí una masa reducida y
una relación incrementada de potencia a peso.
Dependiendo del tipo específico, podría diseñarse
una pila de combustible giratoria de varias maneras diferentes,
especialmente con respecto a la geometría de las trayectorias de
flujo del gas y del líquido, la configuración del electrodo, el
diseño de las cámaras de electrolito y las conexiones
mecánicas/eléctricas entre las pilas individuales. Sin embargo, una
característica que será generalmente común a las pilas de
combustible giratorias es que se introducen los gases inyectados en
aquellas regiones que corresponden a sustancialmente el radio más
exterior de la celda electroquímica particular. Por tanto, la
disposición dorso con dorso típica de los electrodos de pilas
convencionales de combustible de hidrógeno-oxígeno
deberá rediseñarse, en cambio, para facilitar la difusión mejorada
por centrífuga de gases a través de las regiones humedecidas de
electrolito de los electrodos. Para cualquier pila dada, los dos
electrodos podrían abrirse, por ejemplo, en la forma borde a borde,
de preferencia, pero no necesariamente, en un plano de radio
constante. Una posible configuración dorso con dorso para una pila
de combustible de hidrógeno-oxígeno que utiliza
circulación natural mejorada por centrifugación sería separar
espacialmente el "electrodo de combustible" del "electrodo de
oxidante" por un canal o conducto radial común de tal forma que
permita un recirculación de doble bucle del electrolito. El
combustible gaseoso tal como hidrógeno se inyectaría por medio de un
rociador en la periferia exterior del electrodo de combustible. De
igual forma, el oxidante gaseoso tal como aire se inyectaría por
separado en la periferia exterior del electrodo de oxidante. El
electrolito líquido podría entonces circular libremente fluyendo
radialmente hacia fuera en el canal central común desde el que se
dividiría para fluir en las dos regiones del rociador de las
entradas de combustible y oxidante. El flujo radial hacia dentro de
los gases, y la reducción resultante de las densidades de mezcla
bifásica en las secciones de combustible y oxidante separadas
promoverá la circulación mejorada del electrolito líquido alrededor
de la pila de combustible. Podrían conseguirse requisitos
adicionales para equilibrar las presiones de gas y electrolito a fin
de controlar la posición de la interfaz humedecida dentro de los
electrodos por la regulación de la presión o a través del control de
centrifugación giratoria.
El diseño de los electrodos en pilas de
combustible de metal-oxígeno es algo menos complejo
y, por tanto, permite un uso mejor del principio de centrífuga
inversa para controlar el gas y los flujos de líquido a través de
las estructuras porosas de los dos electrodos.
En algunos diseños de pila de combustible, el
electrolito, que puede ser un ácido o una solución acuosa alcalina,
circula continuamente entre los electrodos. Como ya se ha indicado,
en una pila de combustible giratoria, las fuerzas centrífugas
provocan un gran incremento en la presión hidrostática en el
electrolito que, hasta un límite, es beneficioso para el
funcionamiento y las prestaciones de la pila de combustible.
Inyectando gas (combustible u oxidante) a presión a través de
boquillas pequeñas en la periferia exterior de la cámara centrífuga,
se produce una reducción drástica en la densidad de la mezcla de
gas-líquido que promueve la circulación natural
mejorada del electrolito líquido alrededor de la pila. Tanto la
presión como el caudal de circulación pueden aumentarse directamente
mediante un simple incremento de la velocidad de rotación. Por
tanto, son buenas candidatas para las pilas de combustible
giratorias las pilas de combustible de metal-oxígeno
(o aire) que emplean un combustible de metal en polvo tal como
aluminio, magnesio o zinc. Este puede introducirse fácilmente como
un suministro continuo de polvo empaquetado suelto o
intermitentemente como bloques de matriz metálica porosa
preconformados.
Las ventajas de rotación superan la complejidad
adicional de inducir la rotación mediante, por ejemplo, un motor
eléctrico. Surgen ventajas útiles del acoplamiento de los procesos
hidrodinámico y electroquímico que incrementan juntos la eficacia
total y la producción de potencia específica de tal dispositivo.
Puede utilizarse la rotación para fijar y controlar un flujo del
tipo de convección mejorado de la mezcla bifásica de
gas-líquido que conforma el electrolito de
recirculación. Esto evita la necesidad de bombas para forzar el
líquido alrededor del circuito de la pila de combustible, eliminando
así los circuitos de control auxiliares y reduciendo los problemas
de corrosión del material. Además, puede incrementarse la presión
dentro de la pila de combustible para optimizar los regímenes de
acción electroquímica en las superficies de electrodo controlando la
velocidad de centrifugación. Inyectando gas (por ejemplo, hidrógeno,
oxígeno o aire) directamente en el electrodo, la acción
"burbujeante" resultante provoca movimientos aleatorios
localizados de la película de electrolito en la interfaz de
gas-líquido-sólido, lo que
incrementa el régimen de reacción electroquímica. Se conoce que esto
mejora en gran medida el intercambio de carga electrónica e iónica
en el "límite trifásico" y puede producir un incremento de 100
veces en la densidad de corriente en el electrodo. Un incremento muy
grande del área interfacial entre un combustible sólido (por
ejemplo, aluminio en polvo) y el electrolito líquido puede
sostenerse ventajosamente "fluidificando" las partículas
sólidas. La producción de un "lecho fluidificado" hace que
floten dinámicamente las partículas de combustible metálico,
incrementado el área de contacto interfacial y, por tanto, la
densidad de potencia eléctrica obtenible de una cantidad dada de
combustible.
Ventajas adicionales de una pila de combustible
giratoria son el resultado de la naturaleza típicamente intermitente
de fuentes de energía necesarias para propósitos de transporte
doméstico. Para estas aplicaciones, los medios de rotación pueden
derivarse a través del sistema de transmisión principal mientras
consumen solamente una pequeña fracción de la potencia total
producida. La potencia adicional requerida para mantener esta
rotación es baja en comparación con la potencia total necesaria para
la aceleración del vehículo. Esta potencia adicional se usará
principalmente para superar la resistencia por fricción en cojinetes
y para comprimir el gas oxidante (aire) para el funcionamiento
presurizado. Un mecanismo de accionamiento de este tipo podría
engranarse con el sistema de transmisión principal para vehículos de
carretera y adaptarse a la demanda de energía total. De esta manera,
el régimen de centrifugación de la pila de combustible podría
engranarse con la velocidad de carretera, utilizando posiblemente un
efecto de volante para gestionar y controlar la velocidad de
centrifugación y, por tanto, generar potencia específica más alta
sobre demanda para un incremento en la aceleración.
La invención puede entenderse más claramente a
partir de la siguiente descripción proporcionada únicamente a título
de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los
cuales:
La figura 1: es una realización del concepto
básico tal como se aplica a las pilas de combustible de
metal-oxígeno giratorias. Una sección transversal a
través de tal pila de combustible giratoria se indica en la sección
X-X y una sección horizontal próxima al plano medio
en la sección Y-Y.
Con referencia a la figura 1, los componentes
principales previstos para una pila de combustible giratoria de
metal-oxígeno son como sigue. Una cámara que
comprende una cámara no conductora cilíndrica (1) capaz de soportar
grandes tensiones de aro circunferencial de fuerzas centrífugas
provocadas por la rotación sobre un eje de simetría (19). La cámara
principal (1) se separa en una o más secciones por placas o paredes
(2) de división radial no conductoras para aislar eléctricamente
celdas electroquímicas individuales, permitiendo así el
"apilamiento" de múltiples celdas conectadas en serie para
incrementar la tensión de salida total. Unos deflectores internos
(3) del tipo de placa separan las mitades superior e inferior de la
cámara y proporcionan pasos para la recirculación interna del
electrolito (14) y el soporte estructural para los electrodos (5) y
(8). Las placas radiales (2) y los deflectores (3) proporcionan
también resistencia estructural a la envuelta bajo altas tensiones
inducidas por centrifugación y proporcionan también soporte a los
dos electrodos (5) y (8). Sin embargo, el electrolito líquido (14)
puede fluir libre y continuamente entre todas las celdas de la
cámara sin bombeo adicional.
Se introduce combustible, tal como aluminio,
magnesio o zinc en polvo, a través de una entrada de suministro de
combustible (4), en la cámara, estando el combustible contenido
dentro de un material poroso similar a gasa en forma de una jaula
(6). El propósito principal de esta jaula es retener el combustible
en polvo y proporcionar un contacto eléctrico (21) para toma de
potencia. Este combustible en polvo es suministrado directamente a
la jaula de combustible por medio de una canal cónico interno (7)
que está configurado para permitir un suministro continuo de
combustible a la celda cuando sea necesario. Una vez que se
introduce en la cámara, el combustible metálico llega a ser también
un componente del electrodo (5). El electrodo de oxígeno (8) se
fabrica a partir de una matriz de metal porosa maciza tal como
sodio-tungsteno-bronce para
completar el circuito electroquímico de la pila de combustible. Aire
u oxígeno, introducido a presión a través de un tubo de suministro
de gas central (9), fluye entonces en contacto con los diversos
electrodos de oxígeno en cada celda a través de una serie de canales
radiales (10) y boquillas o "rociadores" finos (11). Se
suministra aire presurizado o bien a través de un cilindro de aire
comprimido bien por medio de un compresor de aire de a bordo (no
mostrado). Este gas introducido en el "fondo" del electrodo (8)
sirve para dos funciones. En primer lugar, suministra aire u oxígeno
directamente al electrodo de oxígeno (8) y promueve el
"burbujeo" en el límite trifásico de la superficie del
electrodo. En segundo lugar, las burbujas de gas inyectadas en el
electrolito (14) suben "hacia arriba" hacia el eje de
centrifugación (19), reduciendo la densidad de fluido en la parte
"ascendente" de la celda y creando una circulación natural
"hacia arriba" a través del electrodo de oxígeno (8) y "hacia
abajo" a través del electrodo de combustible (5).
Después de la reacción electroquímica dentro de
la pila de combustible, los productos de la reacción son retenidos
en una "trampa" (12) tal como una matriz de cal o sustancia
similar, permitiendo la retirada de los productos de la reacción de
la pila a través de placas de acceso desmontables (13) o a través de
un sistema externo de retirada de productos de reacción (no
mostrado). Un sistema de regeneración de bucle cerrado podría
utilizarse también preferiblemente para descomponer los productos de
la reacción electrolíticamente de nuevo en el metal y oxígeno de
origen. Un sistema regenerativo de este tipo permitiría el
funcionamiento autónomo en ambientes deficientes en oxígeno tal como
en el espacio o bajo el
agua.
agua.
Como resultado de la rotación, el electrolito
(14) formará una superficie libre cerca del eje de rotación. Las
fuerzas centrífuga y centrípeta mantendrán la trayectoria de flujo
de circulación natural continua (15) del electrolito alrededor de la
celda mientras permiten la separación (16) del gas no reaccionado de
la superficie libre de líquido. Los productos de desecho gaseosos
separados pueden eliminarse de esta manera a través de una salida
(17) para su eliminación o reutilización. Un aislamiento eléctrico
(18) está dispuesto entre el tubo de suministro de gas oxidante (9)
y la jaula de retención de polvo metálico (6) del compartimiento de
combustible. La rotación sobre el eje de centrifugación (19) de la
cámara de la pila de combustible puede controlarse para variar el
régimen de generación de potencia eléctrica. Las conexiones
eléctricas (20) al electrodo de oxígeno y (21) al electrodo de
combustible permiten la conexión a un circuito eléctrico externo.
Los segmentos de pila individuales (22) dentro de la cámara
centrífuga pueden acoplarse en serie interna o externamente para
incrementa la tensión de salida de la pila total. Pueden apilarse
unidades múltiples en configuraciones en paralelo y/o en serie para
adaptar las características de potencia totales deseadas del
apilamiento de pilas de combustible a cualquier aplicación
particular.
El funcionamiento de la pila de combustible tiene
lugar como sigue.
Utilizando un electrolito alcalino, la pila de
combustible de aluminio-aire funciona según dos
esquemas de reacción posibles.
1) Para concentraciones de álcali por debajo de
3M,
4Al + 3O_{2}+ 6H_{2}O = 4Al
(OH)_{3}
con la reacción del
ánodo
Al + 3OH^{-} =
Al(OH)_{3}+ 3e_{0} \
^{-}
2) Para concentraciones de álcali mayores de
3M,
4Al + 3O_{2}+ 4OH^{-} =
4AlO_{2} \ ^{-} +
2H_{2}O
con la reacción del
ánodo
Al + 4OH^{-} = AlO_{2} +
2H_{2}O + 3e_{0} \
^{-}
El arranque de las condicione estacionarias puede
tener lugar como sigue. En el estado no giratorio, se introduce el
electrolito (14) en la cámara centrífuga (1) orientada con su eje de
centrifugación (19) vertical de forma que cubra el electrodo de
oxígeno (8) y humedezca parcialmente la jaula (6) para contener el
combustible metálico. El combustible en polvo suelto (por ejemplo,
aluminio o zinc) se introduce en la jaula de combustible (6) o
alternativamente una serie de "bloques" de combustible porosos
preconformados se colocan en cada segmento de pila de combustible.
Un suministro de potencia de batería auxiliar puede ser necesario
para "comenzar" la rotación y llevar a la pila de combustible a
la máxima potencia. Una realización útil sería tener suficiente
"cobertura" del combustible con electrolito líquido para genera
suficiente potencia para iniciar la autorrotación y autocompresión
del suministro de aire.
Cuando se aplica rotación, el nivel del
electrolito se restablecerá por sí mismo aproximadamente paralelo al
eje al eje de centrifugación (19), cubriendo completamente los
electrodos de combustible y oxígeno (5) y (8) y con líquido adecuado
presente para permitir el flujo de circulación natural mejorada
alrededor de la pila de combustible. Hasta que se aplica la presión
del gas (aire, oxígeno) a través del tubo de entrada del gas (9),
fluirá algo de electrolito líquido de nuevo a través de las
boquillas rociadoras de gas (11) y los canales (10) hasta una
posición de equilibrio intermedia debido a los efectos centrífugos.
Sin embargo, este líquido será purgado una vez que la sobrepresión
del gas aplicada sea suficiente para empujar el aire (u oxígeno)
hacia el electrodo de oxígeno (8) y hacia la parte "ascendente"
del circuito. El suministro inicial de aire de "arranque" puede
ser de una "botella de oxígeno" presurizado hasta que se genera
suficiente potencia para accionar el compresor de aire.
La mezcla bifásica de baja densidad que pasa
dentro y alrededor del electrodo de oxígeno (8) crea una diferencia
de densidad entre el "tubo ascendente" oxidante y el "tubo
descendente" del compartimiento de combustible, que es el
mecanismo principal para promover la circulación natural mejorada
por centrifugación. El aire o el oxígeno no consumidos en el
electrodo de oxígeno (8) se separará (16) de la superficie libre del
electrolito para descargarse en la salida de la pila de combustible
a través de la salida (17). El caudal de circulación natural está
fuertemente regido por el campo de aceleración local, que depende
obviamente de la velocidad de centrifugación. Asimismo, la
separación de gas-líquido está regida por la
rotación. Por tanto, el control de la velocidad angular de
centrifugación permite así el control total de los parámetros de
funcionamiento principales: presión, caudales, área interfacial
entre gas-líquido-sólido (y de ahí
el régimen de reacción química y la generación de potencia) y
eficiencia de separación.
Se disponen conexiones eléctricas interceldas
(20) y (21) que pueden ser internas o externas. Disponiendo la
reticulación de un electrodo de oxígeno (8) con un electrodo de
combustible contiguo (5), es posible conectar todos los segmentos de
pila individuales (22) en serie para incrementar la potencia de
salida neta de la configuración de pila de combustible compuesta.
Las combinaciones de interconexiones en serie y/o en paralelo entre
las celdas y con cámaras centrífugas adicionales en línea sobre el
mismo eje proporciona una amplia gama de posibilidades de diseño
para diferentes especificaciones de salida de potencia y envueltas
de tamaño geométricas.
Claims (29)
1. Pila de combustible, que comprende:
una cámara adecuada para contener un electrolito
en ella;
medios para hacer girar dicho electrolito sobre
un eje de dicha cámara;
al menos una entrada para introducir oxidante y/o
combustible en dicha cámara, cuya entrada está espaciada del eje de
rotación de dicha cámara;
al menos un electrodo contactable con dicho
electrolito y dicho oxidante; y
al menos un electrodo contactable con dicho
electrolito y dicho combustible.
2. Pila de combustible según la reivindicación 1,
que prevé además al menos una salida para retirar dicho oxidante y/o
dicho combustible adyacente a dicho eje de rotación.
3. Pila de combustible según la reivindicación 1
o la reivindicación 2, que prevé además al menos una trampa para la
recogida y/o retirada de los subproductos de la reacción
electroquímica.
4. Pila de combustible según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que dichos medios para hacer
girar dicho electrolito comprenden medios para hacer girar dicha
cámara.
5. Pila de combustible según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que comprende además paletas o
deflectores de guía en la superficie exterior de dicha cámara, cuya
cámara puede ser hecha girar así tras la introducción de dicho
combustible y/u oxidante.
6. Pila de combustible según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, en la que dichos medios para hacer girar
dicho electrolito comprenden un impulsor o deflector giratorio
dispuesto dentro de dicha cámara.
7. Pila de combustible según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que dicha entrada comprende
medios rociadores.
8. Pila de combustible según la reivindicación 7,
en la que dichos medios rociadores están dispuestos en las paredes
de dicha cámara.
9. Pila de combustible según la reivindicación 7
o la reivindicación 8, que comprende además al menos un conducto que
se extiende desde dicha entrada hasta dichos medios rociadores.
10. Pila de combustible según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que dichos electrodos comprenden
material poroso eléctricamente conductor.
11. Pila de combustible según la reivindicación
10, en la que dicho material poroso eléctricamente conductor
comprende
sodio-tungsteno-bronce.
12. Pila de combustible según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que el combustible es un metal y
el oxidante es oxígeno o aire.
13. Pila de combustible según la reivindicación
12, en la que se proporciona el combustible metálico en forma de un
polvo o un bloque poroso.
14. Pila de combustible según la reivindicación
12 o la reivindicación 13, en la que el metal es aluminio, magnesio
o zinc.
15. Pila de combustible según cualquiera de las
reivindicaciones 12 a 14, en la que dicha cámara comprende
adicionalmente una jaula porosa para contener dicho metal.
16. Pila de combustible según cualquiera de las
reivindicaciones 12 a 15, en la que dicho electrolito comprende
iones hidróxido.
17. Pila de combustible según la reivindicación
16, en la que dicho electrolito comprende una solución acuosa de un
hidróxido de potasio o de sodio.
18. Pila de combustible según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que dicha cámara comprende
deflectores internos que definen unos pasos para la recirculación
interna de dicho electrolito.
19. Pila de combustible según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que dicha cámara está subdividida
en cámaras más pequeñas para crear una pluralidad de celdas
electroquímicas que pueden ser conectadas eléctricamente entre sí en
serie o en paralelo.
20. Pila de combustible según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que la velocidad de rotación es
variable.
21. Pila de combustible según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que la rotación es introducida
por un medio externo tal como un motor eléctrico.
22. Pila de combustible según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que se hace girar la cámara con
su eje de centrifugación orientado en la dirección vertical.
23. Sistema de pila de combustible que comprende
una pluralidad de pilas de combustible según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 22, en el que dichas pilas de combustible están
físicamente conectadas en serie una con otra y eléctricamente
conectadas en serie o en paralelo entre sí.
24. Sistema de pila de combustible según la
reivindicación 23, en el que las pilas de combustible están montadas
sobre un eje de centrifugación común.
25. Vehículo que comprende una pila de
combustible según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 22 o un
sistema de pila de combustible según cualquiera de las
reivindicaciones 23 ó 24.
26. Método de mejorar la eficacia y las
prestaciones de las pilas de combustible, comprendiendo dicho método
introducir un oxidante y/o un combustible en contacto con un
electrolito presente en una pila de combustible según cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 22 por medio de una o más entradas
espaciadas del eje de rotación de dicha cámara, hacer girar el
electrolito sobre dicho eje de dicha cámara y, opcionalmente,
retirar cualquier oxidante no reaccionado y/o combustible no
reaccionado de la salida adyacente a dicho eje de rotación.
27. Método según la reivindicación 26, en el que
dicho electrolito en dicha cámara es hecho girar haciendo girar
dicha cámara.
28. Método según la reivindicación 27, en el que
dicha cámara es hecha girar disponiendo una pluralidad de paletas o
deflectores de guía en dicha cámara, que hacen que gire dicha cámara
por el impacto de dicho oxidante y/o combustible sobre dichas
paletas o deflectores de guía.
29. Método según cualquiera de las
reivindicaciones 26 a 28, que comprende además la etapa de regenerar
el combustible químico de origen y el oxígeno de los subproductos de
la reacción.
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