ES2299684T3 - Sistema de eliminacion de oxigeno y pre-condicionamiento de una celda de combustible. - Google Patents
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Abstract
Un sistema de celda de combustible incluyendo: una celda de combustible que tiene un ánodo, un cátodo, y una membrana de intercambio de aniones entre ellos; un conducto de entrega de combustible comprendiendo: un plato de campo de flujo de fluido que forma parte del ánodo, teniendo un canal de flujo de fluido extendiéndose a través de él; una entrada de entrega de combustible acoplada a un extremo del canal de flujo de fluido; una salida de entrega de combustible acoplada a otro extremo del canal de flujo de fluido; y un regulador de flujo de fluido para variar de forma controlada la cantidad de combustible entregado a un punto de mezcla en la entrada de entrega de combustible, el sistema de la celda de combustible que comprende además un conducto de recirculación extendiéndose entre la salida de entrega de combustible y el punto de mezcla, en el cual el punto de mezcla comprende sea (i) una cámara de reacción para hacer reaccionar el combustible, o (ii) una cámara de pre-mezclado para mezclar el combustible, de dicho regulador de flujo de fluido con las especies oxidantes de dicho conducto de recirculación.
Description
Sistema de eliminación de oxígeno y
pre-condicionamiento de una celda de
combustible.
La presente invención se refiere a celdas de
combustible, y en particular a los métodos y aparato para eliminar
de forma controlada los oxidantes en una corriente de suministro de
combustible de la celda de combustible.
Las celdas de combustible electroquímicas
convencionales convierten el combustible y el oxidante en energía
eléctrica y un producto de la reacción. Un diseño típico de una
celda de combustible convencional 10 se muestra en la figura 1 que,
para claridad, ilustra las varias capas en forma expandida. Una
membrana sólida polimérica de transferencia de iones 11 se
intercala entre un ánodo 12 y un cátodo 13. La membrana del polímero
permite a los protones atravesar la membrana, pero bloquea el paso
de los electrones. Típicamente, el ánodo 12 y el cátodo 13 son
ambos formados de un material eléctricamente conductor, poroso como
el carbono poroso a los cuales se unen partículas pequeñas de
platino y/o otro catalizador de metal precioso. El ánodo 12 y cátodo
13 están a menudo directamente unidos a las superficies adyacentes
respectivas de la membrana 11. Esta combinación normalmente es
llamada el conjunto membrana-electrodo, o MEA.
Formando un emparedado con la membrana del
polímero y las capas del electrodo poroso está un plato de campo de
flujo de fluido anódico 14 y un plato de campo de flujo de fluido
catódico 15. Los platos de campo de flujo de fluidos 14, 15 se
forman de un material eléctricamente conductivo,
no-poroso por medio del cual puede hacerse contacto
eléctrico con el ánodo respectivo electrodo 12 o cátodo electrodo
13. Al mismo tiempo, los platos de campo de flujo de fluidos deben
accionar la entrega y/o descarga de combustible fluido, el oxidante,
y/o productos de la reacción (y/o otros gases del diluente que no
intervienen en la reacción) hacia o desde los electrodos porosos.
Esto se efectúa convencionalmente formando pasajes del flujo de
fluido en una superficie de los platos de campo de flujo de
fluidos, como las ranuras o canales 16 en la superficie presentada a
los electrodos porosos.
La figura 2 muestra una vista en planta de un
canal de flujo de fluido típico 16 colocado como una estructura de
serpentina 20 en una cara del ánodo 14 (o cátodo) teniendo un
colector a la entrada 21 y un colector a la salida 22. Pueden
usarse muchas configuraciones diferentes de canales de flujo de
fluidos.
En una aplicación típica, en el plato de campo
de flujo de fluido del ánodo 14, se entrega el gas hidrógeno en el
canal serpentín 20 desde el colector de entrada 21. En el plato de
campo de flujo de fluido catódico 15, el oxidante (por ejemplo, gas
oxígeno) se libera dentro del canal de serpentín 20 desde el
colector de entrada.
Previo a la iniciación de una celda de
combustible 10 después del primer montaje, comisionado, reparación,
períodos prolongados de inactividad o paradas puede haber una
acumulación de aire en los canales de flujos de combustible y
conductos de entrega de combustible, es decir, generalmente dentro
de la trayectoria de entrega de combustible de la celda de
combustible. Por tanto es necesario eliminar este aire, o más
particularmente eliminar el oxígeno en el aire, de la trayectoria
de entrega de combustible al ánodo antes de la introducción de
cualquier hidrógeno combustible o una mezcla de gas rica en
hidrógeno al ánodo 12 y membrana 11.
Esta eliminación del oxígeno previa a la entrega
de combustible es importante para prevenir la combustión catalítica
no-controlada indeseable que ocurre en la superficie
del ánodo 14 resultando en calentamiento localizado, deshidratación
y posible perforación de la membrana de intercambio del protón
11.
En la técnica anterior, es práctica común purgar
los canales del ánodo 16 y otras porciones de los conductos de
entrega de combustible mediante el paso de un gas inerte, como el
nitrógeno, por un período de tiempo previo a la introducción del
combustible hidrogenado.
Este proceso hace necesario un suministro local
de nitrógeno, generalmente contenido en un cilindro de presión, y
su reemplazo periódico. Es deseable eliminar este requisito y por
eso simplificar las necesidades operacionales y de servicio del
sistema. Esto es particularmente importante cuando la celda de
combustible es aireada instalada en el campo, por ejemplo como
parte de un sistema de potencia en un vehículo donde puede limitarse
la accesibilidad de un gas de purga, y de hecho la accesibilidad a
la celda de combustible.
WO 01/39310 expone un sistema operativo para una
planta de potencia de celda de combustible enfriada directo por
anticongelante para producir energía eléctrica de la reducción y
procesamiento de las corrientes del fluido oxidante. El sistema
incluye una celda de combustible de membrana de intercambio de
protón, alimentada por el hidrógeno, generado por un reformador y
quemador para procesar el hidrocarburo del combustible. Un pasaje
de descarga de ánodo recibe una corriente de descarga de ánodo que
termina la celda de combustible, la cual es entonces dirigida a un
quemador por la vía de un intercambiador de calor acoplado a la
salida del reformador.
El Documento 1124962 expone un sistema de celda
de combustible de electrolito alcalino en el que una celda de
combustible se precalienta quemando hidrógeno y oxígeno en una
combustión residual del catalizador conectado a un circuito de
circulación de hidrógeno, purgando el gas nitrógeno en la celda de
combustible y reemplazando con el gas de la reacción.
\newpage
El documento 5089899 revela un tipo reformando
el interior de la celda de combustible de carbonato fundido en el
que por lo menos parte del combustible se quema por un quemador
catalítico que suministra el gas de la combustión a ambos lados del
ánodo y del cátodo de la celda de combustible.
El documento WO 01/97310 revela un humidificador
catalítico y calentador para una celda de combustible de hidrógeno
que emplea una membrana de intercambio del protón. Aire e hidrógeno
se proporcionan a un reactor catalítico, produciendo aire
humedecido caliente que entonces fluye a través del núcleo de la
celda de combustible.
Es un objeto de la presente invención
proporcionar un método conveniente y aparato para la eliminación de
oxígeno de los conductos de entrega de combustible de una celda
electroquímica de combustible.
Es un objeto adicional de la presente invención
proporcionar un aparato mediante el cual puede efectuarse
automáticamente la eliminación del oxígeno de los conductos de
entrega de combustible de una celda electroquímica de
combustible.
Un problema adicional asociado con la puesta en
marcha de las celdas de combustible es que el conjunto
membrana-electrodo generalmente sólo opera con
actuación óptima una vez que ha alcanzado una temperatura de
operación ideal y un grado ideal de hidratación de la membrana.
Convencionalmente, tal nivel de actuación óptimo no se logra hasta
después de un período de funcionamiento de la celda de
combustible.
Es un objeto adicional de la invención
proporcionar un aparato por el cual un combustible y/o la corriente
de gas oxidante se pre-condiciona para acelerar la
hidratación del conjunto membrana-electrodo y/o para
acelerar el calentamiento del conjunto
membrana-electrodo hacia una condición de operación
óptima.
Según un aspecto, la presente invención
proporciona un sistema de celda de combustible incluyendo:
- una celda de combustible que tiene un ánodo, un cátodo, y una membrana de intercambio iónico entre ellos;
- un conducto de entrega de combustible comprendiendo:
- un plato de campo de flujo de fluido que forma parte del ánodo, teniendo un canal de flujo de fluido que se extiende a través de él;
- una entrada de entrega de combustible acoplada a un extremo del canal de flujo de fluido;
- una salida de la entrega de combustible acoplada a otro extremo del canal de flujo de fluido; y
- un regulador de flujo de fluido para variar de forma controlada la cantidad de combustible entregado al punto de mezcla,
el sistema de celda de combustible
que además comprende un conducto de recirculación extendiéndose
entre la salida de entrega de combustible y un punto de mezcla en
la entrada de entrega de combustible, en el cual el punto de mezcla
comprende (i) una cámara de reacción para hacer reaccionar el
combustible, o (ii) una cámara de pre-mezclado para
mezclar el combustible, desde dicho regulador de flujo de fluido con
especies oxidantes de dicho conducto de
recirculación.
Según un aspecto adicional, la presente
invención proporciona un método de operar una celda de combustible
que tiene un ánodo, un cátodo, y una membrana de intercambio iónico
entre ellos, comprendiendo los pasos de:
- abastecimiento de combustible desde una fuente de combustible al área de la superficie activa del ánodo por medio de un conducto de entrega de combustible; y
- recirculando fluido dentro del conducto de entrega de fluido a un punto de mezcla aguas arriba del área de la superficie activa del ánodo;
- efectuando una combustión controlada de combustible y las especies oxidantes dentro del conducto de entrega de combustible al punto de mezcla, en una cámara de reacción.
Las realizaciones de la presente invención serán
descritas ahora por medio de un ejemplo y con referencia a los
dibujos acompañantes en los cuales:
Figura 1 es una vista transversal expandida de
una celda de combustible de la técnica anterior;
Figura 2 es una vista en planta de un plato de
campo de flujo de fluido en la celda de combustible de la figura
1;
Figura 3 es un diagrama esquemático de una
primera disposición del sistema de eliminación de oxígeno según la
presente invención;
Figura 4 es un diagrama esquemático de una
segunda disposición del sistema de eliminación de oxígeno según la
presente invención;
Figura 5 es un diagrama esquemático de un
sistema de pre-acondicionamiento para la combustión
controlada de combustible y oxidante en un conducto de entrega de
combustible según la presente invención; y
Figura 6 es un diagrama esquemático de un
sistema de pre-acondicionamiento adicional para la
combustión controlada de combustible y oxidante en un conducto de
entrega de combustible según la presente invención.
Un método de lograr la eliminación de oxígeno de
la trayectoria de entrega de combustible es utilizar el oxígeno en
una combustión catalítica controlada de hidrógeno externo a la celda
de combustible.
Con referencia a la figura 3, una celda de
combustible 10 se acopla a los conductos de entrega de combustible
30, 31 y los conductos oxidante/descarga 32, 33. Los conductos de
entrega de combustible 30, 31 respectivamente mantenga una entrada
30 y salida 31 para la entrega a y desde el plato de campo de flujo
de fluido del ánodo 14 (figura 1) mientras el conducto de
suministro de oxidante 32 proporciona un suministro del oxidante a
un extremo de la toma del plato de campo de flujo de fluido del
cátodo 15 y el conducto de descarga 33 proporciona una salida para
escapar el oxidante sin usar y los productos de la reacción del
cátodo.
Un suministro de combustible (por ejemplo
hidrógeno) se acopla a un sistema de entrada 34 que se alimenta a
una cámara de reacción 35. Un lazo de reciclaje 36 se extiende entre
la salida 31 y la cámara de reacción. El lazo de reciclaje 36
incorpora una bomba 37 y puede cambiarse su funcionamiento usando
una válvula de dos vías 38.
La cámara de reacción 35 contiene un material
catalizador conveniente dispersado en un soporte, para habilitar la
eliminación de oxidantes pasando a través de él, según técnicas bien
conocidas en la técnica. Materiales catalizadores preferidos en el
presente incluyen metales preciosos como el platino o las aleaciones
de platino dispersas en un soporte cerámico tal como alúmina.
En un modo normal de uso, un suministro de
combustible de hidrógeno se proporciona a la celda de combustible
10 por la vía de entrada del sistema 34, preferentemente vía un
regulador de flujo o la válvula de medición 39. El combustible de
hidrógeno pasa al colector de entrada 21 y al plato de campo de
flujo de fluido del ánodo 14 (figura1) donde se consume por lo
menos parcialmente. Cualquier combustible no consumido o fluido de
diluente inerte en el suministro de combustible puede escaparse por
la vía de una salida del sistema de combustible 22, cuando la
válvula de dos vías 38 se cambia a una posición de descarga.
Cuando la corriente del ánodo (combustible) se
determinó estar contaminada, o cuando se sospecha estar contaminada,
por el fluido del oxidante, el sistema se cambia a un modo de uso
de recirculación. En esta configuración, la válvula de dos vías 38
se cambia para que la salida de la celda de combustible 31 se
conecte al lazo de reciclaje 36. Si es necesario mantener la
circulación del fluido, se enciende la bomba de reciclaje 37. En
esta forma, se recircula la corriente del fluido del ánodo, pasando
a través de la cámara de reacción 35 donde las especies oxidantes
se friegan de la corriente del fluido, preferentemente por reacción
con una sangría controlada de gas hidrógeno desde la entrada del
sistema de combustible 34 y el flujo regulador 39.
De esta manera, la combustión del hidrógeno y
especies oxidantes se efectúa solamente en la cámara de reacción 35
y no en la celda de combustible 10.
El modo de recirculación de uso puede iniciarse
de acuerdo a cualquier condición prevaleciente deseada. Estas
condiciones pueden incluir uno cualquiera o más de lo siguiente: (i)
detección automática del oxidante en la entrada del conducto de
entrega de combustible 30 y/o salida 31 por medio de un mecanismo
sensor apropiado (a ser descrito posteriormente); (ii) detección
automática de un período de no-uso de la celda de
combustible excediendo el umbral de un lapso de tiempo
predeterminado; (iii) detección automática de un período de uso de
la celda de combustible que excede un umbral de lapso de tiempo
predeterminado; (iv) detección automática de una condición de
servicio, es decir, después de la detección de una condición de
mantenimiento de la celda de combustible; y (v) iniciación manual,
por un usuario.
Durante el modo de recirculación, los gases en
la celda de combustible pueden recircularse por el lazo de
reciclaje 36 y a través de la cámara de reacción 35 en la cual el
gas hidrógeno está siendo introducido de una forma controlada,
hasta que se elimina todo el oxígeno no deseado. Este modo de
recirculación puede continuar automáticamente por un período de
tiempo predeterminado, o puede continuarse automáticamente hasta la
detección de la reducción de las especies oxidantes no deseadas por
debajo de un umbral predeterminado. Alternativamente, la duración
del modo de recirculación puede controlarse manualmente por el
usuario.
El suministro medido de combustible de hidrógeno
desde el flujo regulador 39 asegura que la combustión del
combustible y del oxidante se restrinja al volumen de la cámara de
reacción 35 y que ninguna combustión tenga lugar dentro de la misma
celda de combustible.
La presencia de especies oxidantes en los
conductos de entrega de combustible y en los conductos del ánodo
puede detectarse por varios métodos. Un voltaje bajo de circuito
abierto, cercano a cero, de la pila de la celda de combustible 10 a
menudo es un buen indicador de la presencia de oxígeno en la cara
del electrodo del ánodo. Una vez este oxígeno ha estado
sustancialmente eliminado, entonces el hidrógeno penetrará por la
cama de reacción y transfiere por eso a la superficie anódica de la
celda de combustible elevando el voltaje del circuito abierto e
indicando la eliminación exitosa del oxígeno.
Así, en una realización preferida en el
presente, antes del funcionamiento de la celda de combustible, se
prueba el voltaje del circuito abierto. Si este voltaje del circuito
abierto es menor que un umbral predeterminado, el sistema determina
que un modo de operación de recirculación que usa un suministro bajo
de flujo de hidrógeno debe comenzarse antes de entrar en el modo de
operación normal. En una realización adicional, se monitorea
continuamente el voltaje de circuito abierto durante el modo de
recirculación hasta que el voltaje del circuito abierto excede un
umbral predeterminado.
En una realización adicional, el nivel de
oxígeno puede ser detectado monitoreando la temperatura de la cámara
de reacción, o salida de ello, usando un termopar apropiado o
termistor. Durante el período cuando el oxígeno está reaccionando
con el combustible en la cámara de reacción, la temperatura de la
cámara de reacción, o del flujo de gas saliendo de la cámara de
reacción, continuará subiendo. Una vez que cesa el aumento de la
temperatura, comienza a caer o se retarda debajo de una velocidad de
aumento predeterminada, puede determinarse que el nivel de oxígeno
se ha reducido por debajo de un umbral apropiado indicando que la
célula de combustible puede traerse al modo de operación
normal.
Una vez el oxígeno ha sido eliminado, las
velocidades del flujo de hidrógeno pueden aumentarse a tales niveles
que son consistentes con la entrega de potencia normal de la celda
de combustible y puede empezar el funcionamiento normal.
Con referencia a la figura 4, un método
alternativo de lograr la eliminación del oxígeno de la trayectoria
de entrega de combustible es utilizar el oxígeno en una combustión
controlada de hidrógeno internamente de la celda de
combustible.
En esta realización, la cámara de reacción 35 se
elimina y el lazo de reciclaje 36 entrega la corriente de gas
recirculado a un punto de mezcla 40 donde se mezcla con el flujo
bajo controlado de la sangría del combustible de hidrógeno desde la
entrada del sistema de combustible 34 y el regulador de flujo
39.
Preferentemente, el punto de mezcla 40 comprende
una cámara de premezcla 41 que incorpora una pluralidad de bafles
de mezclado u otra estructura física conveniente para fomentar el
mezclado completo del fluido de combustible con el fluido de
recirculación antes de la entrada en la celda de combustible. De
esta manera, puede efectuarse un bajo nivel de reacción, muy
controlado en el ánodo de la celda de combustible de tal manera como
para evitar cualquier nivel significativo de daño a la celda de
combustible.
Esto descansa en la actividad catalítica en la
superficie del ánodo en la celda de combustible 10 para promover la
reacción de combustible y oxidante in situ. Con tal de que el
control cerrado de la dosificación de hidrógeno se observe y ocurra
un buen pre-mezclado antes de la entrada en la celda
de combustible, entonces se evitarán los efectos de calentamiento
localizados dentro del ánodo y ocurrirá una buena distribución de la
reacción evitando daño a la celda de combustible.
El combustible de hidrógeno medido puede
comprender un gas rico en hidrógeno por ejemplo, una mezcla fluida
de hidrógeno y diluente inerte, ofreciendo mejora adicional en la
mezcla de combustible y oxidante.
Similar a la realización de la figura 3, medios
de control automático pueden suministrarse para determinar cuando
el modo de recirculación está para ser iniciado, y por cuánto
tiempo, antes de cambiar a un modo normal de funcionamiento.
Un aspecto adicional de prevenir o limitar el
daño al conjunto membrana-electrodo es asegurar que
el combustible entregado al ánodo se proporcione a una temperatura
y/o humedad óptimas. Durante una fase de salida, el control de la
temperatura y/o humedad de la corriente de combustible también puede
acelerar el proceso de lograr una condición de operación óptima en
la celda de combustible.
Con referencia ahora a la figura 5, una
adaptación, del proceso descrito en relación con la figura 3 puede
hacerse para la pre-condición del flujo de
combustible introduciendo agua o vapor para mejorar o mantener la
humedad en la corriente de gas del combustible. Un beneficio
adicional de esta disposición es que puede controlarse también la
temperatura del flujo de combustible.
Para lograr este combustible
pre-condicionado, la provisión se hace al entregar
el oxidante (por ejemplo aire) en la cámara de reacción 35 para
deliberadamente aumentar la reacción de hidrógeno con oxígeno con el
propósito de producir agua y calor.
Una línea de suministro del oxidante 50 se
conecta para el suministro del oxidante conveniente. En la
realización preferida mostrada, este suministro es convenientemente
de la misma fuente del oxidante usado para abastecer al cátodo, a
saber el conducto de suministro de oxidante 32. La línea de
suministro de oxidante 50 se acopla thereto por una válvula 51, que
también puede incorporar un regulador de flujo (no mostrado
separadamente). Esta configuración del sistema puede usarse con o
sin el lazo de reciclaje 36 dibujado en las figuras 3 y 4.
La disposición de cantidades controladas de
oxidante a la cámara de reacción 35 resultó en una velocidad de
reacción predeterminada de hidrógeno y oxígeno en la cámara de
reacción, habilitando por eso el control de la temperatura y la
humedad del gas de combustible siendo alimentado al ánodo de la
celda de combustible por la vía de la entrada del conducto de
entrega de combustible 30 (asumiendo, por supuesto, que el
suministro de combustible desde el regulador de flujo 39
proporciona un exceso de combustible al requerido por el suministro
del oxidante).
El flujo de agua o vapor de agua a la celda de
combustible 10 (y su recirculación continuada si se usó en
combinación con el lazo de reciclaje 36) permite el estado de
hidratación de la membrana para ser controlado ahora manteniendo la
conductibilidad por el uso de un flujo de combustible
pre-condicionado.
Esta facilidad es particularmente útil en el
funcionamiento de celdas de combustible de diseño cátodo abierto,
las cuales son propensas a la deshidratación de la membrana cuando
no son operadas por largos períodos de tiempo.
Se libera energía en el curso de la reacción en
la cámara de reacción 35 y por consiguiente se oferta la oportunidad
para entregar calor directamente a la celda de combustible o a
cualquier otra parte del sistema asociado por medio de los
mecanismos de intercambio de calor/transferencia. Esto puede ser de
uso particular al empezar una celda de combustible del frío donde
la elevación rápida de temperatura asegurará un tiempo más corto a
la temperatura de operación normal y capacidad de potencia
máxima.
En cualquier caso el uso de un reactor
catalítico, corriente arriba de la introducción de gas combustible
y/o en un lazo de recirculación proporciona la flexibilidad
adicional de controlar la humedad del gas combustible e introducir
calor por la vía de la corriente de gas.
Con referencia a la figura 6, se muestra una
disposición adicional que permite la provisión de humidificación y
pre-calentamiento de ambos el flujo de combustible
al ánodo de la celda de combustible 10, y la humidificación y
pre-calentamiento separados del flujo del oxidante
al cátodo de la celda de combustible 10.
En esta disposición, la entrada del sistema de
combustible 34 está acoplada a la alimentación de una cámara de
reacción primaria 35 dentro del conducto de entrega de combustible
30, el cual es proporcionado por una línea de suministro del
oxidante 50. El conducto de suministro de oxidante 32 incorpora una
cámara de reacción secundaria 60 que es proporcionada por una línea
de suministro de combustible 61. Válvulas apropiadas 62, 63
controlan el flujo de oxidante y combustible a las respectivas
cámaras de reacción primera y segunda 35, 60, cuyas válvulas
también pueden incluir reguladores de flujo para variar la velocidad
del flujo de acuerdo al grado deseado de humidificación y/o
pre-calentamiento.
Se entenderá que cualquiera o las dos cámaras de
reacción primaria y secundaria podrían usarse independientemente
una de la otra. Además, el sistema de la figura 6 también podría
usarse junto con un lazo de reciclaje como el descrito en relación
con la figura 3.
El modo de funcionamiento del
pre-condicionamiento descrito en relación con las
figuras 5 y 6 puede iniciarse según cualquier condición
prevaleciente deseada. Estas condiciones pueden incluir uno
cualquiera o más de lo siguiente: (i) detección automática de un
período de no-uso de la celda de combustible
excediendo el umbral de un lapso de tiempo predeterminado; (ii)
detección automática de un período de uso de la celda de combustible
que excede un umbral de lapso de tiempo predeterminado; (iii)
detección automática de una condición de servicio, es decir después
de la detección de una condición de mantenimiento de la celda de
combustible; (iv) detección automática de una condición
predeterminada de temperatura o humedad en el conducto de entrega de
combustible o celda de combustible, y (v) iniciación manual, por un
usuario.
El modo de funcionamiento de
pre-condicionamiento puede continuar automáticamente
por un período de tiempo predeterminado, indefinidamente, o puede
continuarse automáticamente hasta la detección de una condición
adecuada de temperatura o humedad en el conducto de entrega de
combustible o celda de combustible. Alternativamente, la duración
del modo de pre-condicionamiento puede controlarse
manualmente por el usuario.
A lo largo de la presente especificación, por
conveniencia, la celda de combustible 10 se ha descrito solamente
en términos de un solo ánodo, membrana y cátodo. Sin embargo, se
entenderá que, de acuerdo con el diseño convencional de una celda
de combustible, múltiples conjuntos
membrana-electrodo, se usan en serie o en paralelo
en una pila para aumentar el voltaje y/o el suministro de
corriente. De acuerdo con esto, el conducto de entrega de
combustible típicamente incorpora una pluralidad de platos de campo
de flujo de fluido del ánodo, y el conducto de suministro de
oxidante típicamente incorpora una pluralidad de platos de campo de
flujo de fluido del cátodo. Los principios del la presente
invención se aplican igualmente a tales pilas del conjunto
membrana-electrodo.
La invención se ha descrito con referencia a un
MEA convencional que comprende una membrana del polímero, pero
también es relevante para otros tipos de celda de combustible.
Otras realizaciones están dentro de las
reivindicaciones que se acompañan.
Claims (25)
1. Un sistema de celda de combustible
incluyendo:
- una celda de combustible que tiene un ánodo, un cátodo, y una membrana de intercambio de aniones entre ellos;
- un conducto de entrega de combustible comprendiendo:
- un plato de campo de flujo de fluido que forma parte del ánodo, teniendo un canal de flujo de fluido extendiéndose a través de él;
- una entrada de entrega de combustible acoplada a un extremo del canal de flujo de fluido;
- una salida de entrega de combustible acoplada a otro extremo del canal de flujo de fluido; y
- un regulador de flujo de fluido para variar de forma controlada la cantidad de combustible entregado a un punto de mezcla en la entrada de entrega de combustible,
- el sistema de la celda de combustible que comprende además un conducto de recirculación extendiéndose entre la salida de entrega de combustible y el punto de mezcla, en el cual el punto de mezcla comprende sea (i) una cámara de reacción para hacer reaccionar el combustible, o (ii) una cámara de pre-mezclado para mezclar el combustible, de dicho regulador de flujo de fluido con las especies oxidantes de dicho conducto de recirculación.
2. Una celda de combustible según la
reivindicación 1, en la cual la cámara de reacción incluye un
material catalizador.
3. Una celda de combustible según cualquier
reivindicación precedente, en la cual el conducto de recirculación
es conmutable conectado a la salida de entrega de combustible por
medio de una válvula de dos vías.
4. Una celda de combustible según cualquiera de
las reivindicaciones anteriores incluyendo además los medios de
detección para detectar un nivel de las especies oxidantes presentes
en por lo menos parte del conducto de entrega de combustible.
5. Una celda de combustible según la
reivindicación 4, en la cual los medios de detección comprenden
medios por probar un voltaje de circuito abierto a través del ánodo
y el cátodo de la celda de combustible.
6. Una celda de combustible según la
reivindicación 1, incluyendo además medios de control para cambiar
la celda de combustible entre un modo normal de funcionamiento en
el que una velocidad de flujo de combustible relativamente alta se
entrega al ánodo y el oxidante se entrega al cátodo, y un modo de
recirculación en el cual una velocidad de flujo de combustible
relativamente baja se entrega al ánodo junto con el oxidante
entregado por la vía del conducto de recirculación.
7. Una celda de combustible según la
reivindicación 1, incluyendo además medios de control para cambiar
la celda de combustible entre un modo normal de funcionamiento en
el que una velocidad de flujo de combustible relativamente alta se
entrega al ánodo y el oxidante se entrega al cátodo, y un modo de
recirculación en el cual una velocidad de flujo de combustible
relativamente baja se entrega en el conducto de entrega de
combustible junto con el oxidante entregado por la vía del conducto
de recirculación.
8. Una celda de combustible según la
reivindicación 1 que comprende además un conducto de suministro de
oxidante que se extiende desde un suministro de oxidante al punto
de mezcla en la entrada de entrega de combustible.
9. Una celda de combustible según la
reivindicación 8, incluyendo además un regulador de flujo de
oxidante para variar de forma controlada la cantidad de oxidante
entregado al punto de mezcla.
10. Una celda de combustible según la
reivindicación 9, en la cual el regulador de flujo del oxidante
comprende una válvula que acopla el conducto de suministro de
oxidante al conducto de entrega de oxidante del cátodo.
11. Una celda de combustible según la
reivindicación 8, en la cual el punto de mezcla comprende una cámara
de reacción para hacer reaccionar el combustible desde dicho
regulador de flujo de fluido con las especies oxidantes desde dicho
conducto de suministro de oxidante.
12. Una celda de combustible según la
reivindicación 11, en la cual la cámara de reacción incluye un
material catalizador.
\newpage
13. Una celda de combustible según la
reivindicación 1 que incluye además los medios para efectuar una
combustión controlada de combustible y especies oxidantes dentro
del conducto de entrega de fluido del cátodo.
14. Una celda de combustible según la
reivindicación 13, en la cual el conducto de entrega del fluido del
cátodo comprende un plato de campo de flujo de fluido formando
parte del cátodo, teniendo un canal de flujo de fluido,
extendiéndose a través de él; una entrada de entrega de oxidante
acoplado a un extremo del canal de flujo de fluido del cátodo; y
una toma de salida acoplada a otro extremo del canal de flujo de
fluido del cátodo.
15. Una celda de combustible según la
reivindicación 14, en la cual dichos medios parar efectuar una
combustión controlada dentro de un cátodo comprende un conducto de
suministro de combustible que se extiende desde un suministro de
combustible a un punto de mezcla en la entrada de entrega del
oxidante.
16. Una celda de combustible según la
reivindicación 15, en la cual el punto de mezcla en la entrada de
entrega de oxidante comprende una cámara de reacción para hacer
reaccionar el combustible desde dicho conducto de suministro de
combustible con las especies oxidantes de dicho suministro del
oxidante.
17. Un sistema de celda de combustible según la
reivindicación 1 que incluye además los medios de control para
variar de forma controlada la velocidad del flujo de uno o ambos, el
combustible y el oxidante, a fin de lograr un grado predeterminado
de humidificación del flujo de combustible entregado al ánodo.
18. Un sistema de celda de combustible según la
reivindicación 1 que incluye además los medios de control para
variar de forma controlada la velocidad de flujo de uno o ambos, del
combustible y del oxidante, para lograr un grado predeterminado de
pre-calentamiento del flujo de combustible entregado
al ánodo.
19. Un método de operar una celda de combustible
que tiene un ánodo, un cátodo, y una membrana de intercambio iónico
entre ellos, comprendiendo los pasos de:
- suministro de combustible desde una fuente de combustible a un área de la superficie activa del ánodo por la vía de un conducto de entrega de combustible;
- recirculación de fluido dentro del conducto de entrega de fluido a un punto de mezcla, aguas arriba del área de la superficie activa del ánodo;
- efectuar una combustión controlada de combustible y especies oxidantes dentro del conducto de entrega de combustible al punto de mezcla, en una cámara de reacción.
20. El método de la reivindicación 19 incluyendo
además el paso de variar de forma controlada la cantidad de
combustible entregada al punto de mezcla.
21. El método de las reivindicaciones 19 ó 20
incluyendo además el paso de detectar un nivel de especies oxidantes
presentes en al menos parte del conducto de entrega de
combustible.
22. El método de la reivindicación 19 incluyendo
además los pasos de cambiar la celda de combustible entre un modo
normal de funcionamiento, en el cual una velocidad de flujo de
combustible relativamente alta se entrega al ánodo y el oxidante se
entrega al cátodo, y un modo de recirculación, en el cual una
velocidad de flujo de combustible relativamente baja se entrega al
ánodo junto con el oxidante entregado en el fluido recirculado.
23. El método de la reivindicación 19 incluyendo
además los pasos de cambiar la celda de combustible entre un modo
normal de funcionamiento en el cual una velocidad de flujo de
combustible relativamente alta se entrega al ánodo y el oxidante se
entrega al cátodo, y un modo de recirculación en el cual una
velocidad de flujo de combustible relativamente baja se entrega al
conducto de entrega de combustible junto con el oxidante entregado
en la recirculación del fluido.
24. El método de la reivindicación 19 incluyendo
además el paso de controlar la velocidad de flujo de uno o ambos,
del combustible y del oxidante, para lograr un grado predeterminado
de humidificación del flujo de combustible entregado al ánodo.
25. El método de la reivindicación 19 incluyendo
además el paso de controlar la velocidad de flujo de uno o ambos,
del combustible y del oxidante, para lograr un grado predeterminado
de pre-calentamiento del flujo de combustible
entregado al ánodo.
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