ES2315303T3 - Sistema de pilas de combustible con membrana electrolitica polimera, que comprende un espacio de reparticion y un espacio colector de agente refrigerante, asi como un modo de enfriamiento por sustancias fluidas. - Google Patents
Sistema de pilas de combustible con membrana electrolitica polimera, que comprende un espacio de reparticion y un espacio colector de agente refrigerante, asi como un modo de enfriamiento por sustancias fluidas. Download PDFInfo
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Abstract
Sistema de pilas de combustible (1) con un gran número de pilas de combustible de membrana de electrolito de polímero (2), que están dispuestas una sobre otra en forma de un montón (3), caracterizado porque - entre pilas de combustible (2) individuales contiguas entre ellas del montón (3), está previsto, respectivamente, un espacio intermedio (10) para el alojamiento de un medio de refrigeración (13), - en al menos una superficie lateral (23) del montón (3) está dispuesto al menos un espacio de distribución (15) del medio de refrigeración a modo de cámara con al menos una abertura de entrada (16) del medio de refrigeración, - en al menos una superficie lateral (23, 23'') del montón (3) está dispuesto al menos un espacio colector (18) del medio de refrigeración a modo de cámara con al menos una abertura de salida (19) del medio de refrigeración, - en las superficies laterales (24) del montón (3) en las que no está dispuesto ni un espacio de distribución (15) del medio de refrigeración ni un espacio colector (18) de medio de refrigeración, entre las pilas de combustible (2) individuales contiguas, en sus regiones exteriores del borde está previsto, respectivamente, un medio de sellado (25), de manera que el al menos un espacio de distribución (15) del medio de refrigeración, los espacios intermedios (10) entre pilas de combustible individuales contiguas entre ellas y el al menos un espacio colector (18) del medio de refrigeración conformen un espacio a través del cual pueda fluir un medio de refrigeración (13).
Description
Sistema de pilas de combustible con membrana
electrolítica polímera, que comprende un espacio de reparatición y
un espacio colector de agente refrigerante, así como un modo de
enfriamiento por sustancias fluidas.
La presente invención se refiere a un sistema de
pila de combustible con un gran número de pilas de combustible
individuales de membrana de electrolito de polímero, que están
dispuestas una sobre otra en forma de un montón, en la que el
sistema de pilas de combustibles está indicado para la refrigeración
con medios líquidos que no sean eléctricamente conductores o que lo
sean débilmente o fuertemente. La invención se refiere además a un
procedimiento para la refrigeración de un sistema de pilas de
combustible de este tipo por medio de medios líquidos que no sean
eléctricamente conductores o que lo sean débilmente o fuertemente.
Las pilas de combustibles pueden funcionar con gas de combustión y
medio de oxidación con una presión reducida o con una presión
elevada, usándose como gas de combustión, preferentemente,
hidrógeno o una mezcla de metanol-agua en forma
líquida o gaseosa, y como medio de oxidación aire u oxígeno.
Las pilas de combustible de membrana de
electrolito de polímero contienen un ánodo, un cátodo, y una
membrana de intercambio de iones dispuesta en medio. Varias pilas
de combustible individuales conforman un montón de pilas de
combustible, separándose las pilas de combustible individuales por
medio de placas bipolares que actúan como acumuladores de
corriente. En lugar de las placas bipolares se pueden usar también,
respectivamente, una placa de polo en la parte del ánodo y una
placa de polo en la parte del cátodo. Para la generación de
electricidad se introduce un gas combustible, por ejemplo,
hidrógeno, a través de canales de distribución de gas, en la región
del ánodo, y un medio de oxidación, por ejemplo, aire u oxígeno, a
través de canales de distribución de gas en la región del ánodo. La
introducción de los reactantes se puede realizar tanto bajo
sobrepresión (aproximadamente 2 x 10^{5} a 4 x 10^{5} Pa) como
aproximadamente a presión atmosférica (aproximadamente 1,1 x
10^{5} a 1,5 x 10^{5} Pa abs). El ánodo y el cátodo contienen en
las regiones que están en contacto con la membrana de electrolito
de polímero, respectivamente, una capa del catalizador. En la capa
del catalizador del ánodo se oxida el combustible conformando
cationes y electrones libres, en la capa de catalizador del cátodo
se reduce el oxidante por medio de la absorción de electrones. Los
cationes se mueven a través de la membrana de intercambio de iones
hacia el cátodo, y reaccionan con el oxidante reducido, originándose
agua cuando se usan hidrógeno como gas de combustión y oxígeno como
oxidante. En la reacción de gas de combustión y medio de oxidación
se liberan grandes cantidades de calor que han de ser extraídas por
medio de refrigeración. La refrigeración se puede realizar tanto
mediante medios gaseosos como, por ejemplo, aire, como mediante
medios líquidos.
En los montones de pilas de combustible
convencionales con refrigeración por líquido, la refrigeración se
realiza por medio de canales de refrigeración en placas bipolares,
que son alimentadas desde líneas de alimentación y líneas
colectoras centrales. Puesto que, típicamente, se conectan entre 20
y 50 hasta varios 100 de pilas de combustible individuales en
serie, el medio de refrigeración se ha de guiar en los canales
centrales de suministro y de salida a lo largo o contra la
dirección de corriente a través del montón de pilas de combustible.
Para evitar que a través del medio de refrigeración se unan
eléctricamente entre sí los diferentes potenciales eléctricos de
las pilas de combustible individuales conectadas en serie y que, con
ello, se produzcan cortocircuitos entre las celdas o se llegue a
descomposiciones de material, se usa como líquido de refrigeración
agua desionizada. El agua desionizada posee, de hecho, una
capacidad de absorción elevada para iones solubles de todo tipo, y
debido a ello, en su empleo en sistemas de pilas de combustible se
ha de reemplazar o de limpiar de modo continuo, por ejemplo, por
medio de instalaciones de intercambio de iones. Una limpieza de este
tipo se requiere habitualmente ya que los medios de refrigeración
son conducidos habitualmente a través de instalaciones de
intercambio de calor, donde se enriquecen con iones ajenos. Este
tipo de iones ajenos no sólo incrementa la conductividad eléctrica
del medio de refrigeración de modo indeseado, sino que mucho de los
iones ajenos (Cu^{2+}, Ni^{2+}) dañan adicionalmente la
membrana del electrolito de polímero fijo cuando el medio de
refrigeración se pone en contacto directo con la membrana.
La selección de refrigerantes adecuados en
sistemas de pilas de combustible de membrana de electrolito de
polímero con refrigeración convencional está, debido a ello,
fuertemente limitada. No se pueden usar medios de refrigeración que
en contacto directo con la membrana, capa del catalizador, capa de
difusión de gas o placa bipolar, lleven a daños en ésta, como es el
caso, por ejemplo, con aceites, agua de refrigeración enriquecida
con iones ajenos a partir de instalaciones de intercambio de calor,
agua de refrigeración con anticongelante o alcoholes.
Estas limitaciones relativas a los medios
refrigerantes que se pueden usar condicionan limitaciones de las
posibilidades de empleo de los sistemas de pilas de combustible. En
el caso de que, por ejemplo, se desconecte un sistema de pilas de
combustible que usa agua desionizada como medio refrigerante en un
entorno muy frío, hasta que se vuelva a poner en marcha se puede
congelar el medio refrigerante, y puede ocasionar daños
irreversibles en el sistema de pilas de combustible.
Otra desventaja en los sistemas de pilas de
combustible convencionales son las realizaciones para medios de
refrigeración a través del montón de pilas de combustible. Éstas son
caras en su fabricación, requieren un sellado cuidadoso, y hacen
uso, adicionalmente, de una superficie activa valiosa.
Adicionalmente, cuando el medio de refrigeración
se conduce a través de canales de suministro y de salida centrales
a través del montón, la distribución del medio de refrigeración en
los canales de refrigeración en una placa bipolar habitualmente no
es lo suficientemente uniforme, de manera que se producen regiones
enfriadas más o menos de modo indeseado. Al contrario, apenas es
posible refrigerar con mayor fuerza pilas de combustible en la
región central, por regla general algunos grados Kelvin más
caliente, de un montón que las pilas de combustible individuales de
la región del borde del montón.
El documento US 5 858 569 da a conocer un
sistema de pilas de combustible en el que el agua de refrigeración
penetra a través de una tubería de entrada de agua en el sistema de
pilas de combustible, a continuación fluye lateralmente a lo largo
de ésta, y va a parar a las placas de refrigeración.
El objetivo de la presente invención, así pues,
es superar las desventajas del estado de la técnica, y proporcionar
un sistema de pilas de combustible sencillo desde el punto de vista
constructivo.
El objetivo de la presente invención también es
proporcionar un sistema de pilas de combustible que permita una
distribución óptima del medio de refrigeración de modo
correspondiente a la magnitud de la refrigeración requerida.
El objetivo de la presente invención, en
particular, es el de proporcionar un sistema de pilas de combustible
que no esté limitado al uso de medios de refrigeración
eléctricamente no conductores, sino que también se pueda refrigerar
por medio de medios líquidos eléctricamente conductores de modo
débil o fuerte.
El objetivo de la presente invención, además, es
el de proporcionar un sistema de pilas de combustible que pueda ser
refrigerado por medio de medios de refrigeración, que pueden dañar
algunas partes constituyentes de las pilas de combustible
individuales cuando se ponen en contacto con él.
El objetivo se consigue por medio del sistema de
pilas de combustible con un gran número de pilas de combustible
individuales de membrana de electrolito de polímero, que estén
dispuestas una sobre otra en forma de un montón, en el que
- -
- entre pilas de combustible individuales contiguas entre ellas del montón está previsto, respectivamente, un espacio intermedio para el alojamiento de un medio de refrigeración,
- -
- en al menos una superficie lateral del montón está dispuesto al menos un espacio de distribución del medio de refrigeración con al menos una abertura de entrada del medio de refrigeración,
- -
- en al menos una superficie lateral del montón está dispuesto al menos un espacio colector de medio de refrigeración con al menos una abertura de salida del medio de refrigeración,
- -
- en las superficies laterales del montón en las que no está dispuesto ni un espacio de distribución de medio de refrigeración ni un espacio colector del medio de refrigeración, entre las pilas de combustible individuales contiguas, en sus regiones exteriores del borde está previsto, respectivamente, un medio de obturación, de manera que el por lo menos un espacio de distribución del medio de refrigeración, los espacios intermedios entre pilas de combustible individuales contiguas entre ellas y el por lo menos un espacio colector del medio de refrigeración conformen un espacio a través del cual pueda fluir un medio de refrigeración.
Adicionalmente, el objetivo se consigue por
medio de un sistema de pilas de combustible con un gran número de
pilas de combustible individuales de membrana de electrolito de
polímero que están dispuestas en forma de un montón una sobre otra,
en el que:
- -
- las pilas de combustible individuales contiguas entre ellas están limitadas por placas bipolares, que presentan pasos para la absorción de un medio de refrigeración,
- -
- en al menos una superficie lateral del montón está dispuesto al menos un espacio de distribución de medio de refrigeración con al menos una abertura de entrada del medio de refrigeración,
- -
- en al menos una superficie lateral del montón está dispuesto al menos un espacio colector de medio de refrigeración con al menos una abertura de salida del medio de refrigeración, y
- -
- el al menos un espacio de distribución del medio de refrigeración, los pasos en las placas bipolares, y el al menos un espacio colector de medio de refrigeración conforman un espacio a través del que puede fluir un medio de refrigeración.
El objetivo se consigue, además, por medio del
procedimiento para la refrigeración de un sistema de pilas de
combustible con un gran número de pilas de combustible individuales
de membrana de electrolito de polímero, que están dispuestas en
forma de un montón una sobre otra, estando previsto un espacio a
través del cual puede fluir medio de refrigeración, que
comprende
- -
- espacios intermedios entre pilas de combustible individuales contiguas o pasos en placas bipolares de pilas de combustible individuales contiguas, y
- -
- al menos un espacio de distribución del medio de refrigeración dispuesto en una superficie lateral del montón, y
- -
- al menos un espacio colector del medio de refrigeración dispuesto en una superficie lateral del montón, y en el que
se hace fluir un medio de refrigeración líquido
a través del espacio a través del cual puede fluir medio de
refrigeración.
A continuación se explica la invención a partir
de formas de realización preferidas.
Una pila de combustible individual se compone al
menos de los componentes de la unidad de electrodo de membrana,
compuesta por una membrana, una capa de difusión del catalizador y
del gas en la parte del cátodo y del ánodo, así como de una placa
de polo en la parte del ánodo y del cátodo, y del sistema de
obturación. En lugar de las placas de polo en la parte del ánodo y
del cátodo de celdas contiguas, también puede estar prevista una
placa bipolar. En las placas de polo y en las placas bipolares
habitualmente están practicadas o realizadas estructuras de
distribución de gas. Cada pila de combustible individual requiere
también suministros y salidas para gas de combustión y medio de
oxidación. Las pilas de combustible individuales son, por regla
general, rectangulares, si bien también pueden tener cualquier otra
forma deseada. La invención se describe a continuación a modo de
ejemplo, de manera no limitante, para pilas de combustible
rectangulares.
Para la refrigeración del sistema de pila de
combustible conforme a la invención se introduce el medio de
refrigeración en un lado del montón de la pila de combustible, fluye
a través del montón, es decir, fluye entre los espacios intermedios
entre las pilas de combustible o a través de los pasos en las placas
bipolares, y vuelve a salir del montón en las misma o en otro lado.
El medio de refrigeración se conduce, preferentemente, en
circuito.
La entrada del medio de refrigeración en el
montón se realiza partiendo de un estado de distribución del medio
de refrigeración que está colocado en una superficie lateral del
montón.
Después de que se haya realizado el flujo a
través del montón, se recoge el medio de refrigeración en un espacio
colector del medio de refrigeración, y se retira del sistema de
pilas de combustible.
Por lo que se refiere a la forma, número y
disposición de los espacios de distribución del medio de
refrigeración y de los espacios colectores del medio de
refrigeración, son posibles un gran número de variaciones. Por
ejemplo, un espacio de distribución se puede extender a lo largo de
una superficie lateral completa del montón de pilas de combustible,
mientras que en otra superficie lateral del montón, en el caso de
pilas de combustible preferentemente en la superficie lateral
opuesta, está dispuesto un espacio colector de medio de
refrigeración que se extiende igualmente a lo largo de la
superficie lateral completa del montón. En esta forma de
realización, el medio de refrigeración fluye en una conexión
hidráulica en paralelo a través del montón. Cuando el espacio de
distribución del medio de refrigeración y el espacio colector del
medio de refrigeración no están colocados en las superficies
laterales opuestas del montón, entonces es adecuado ocuparse, por
medio de la introducción de estructuras adecuadas en los espacios
intermedios entre las celdas, de la conducción de corriente del
medio de refrigeración desde su entrada en el montón hasta su
salida del montón, o bien conformar los pasos de medio de
refrigeración en las placas bipolares de tal manera que lleven
desde el espacio de distribución del medio de refrigeración al
espacio colector del medio de refrigeración.
El espacio de distribución del medio de
refrigeración y el espacio colector del medio de refrigeración
pueden estar conformados iguales o diferentes. El espacio de
distribución presenta una abertura de entrada del medio de
refrigeración a través de la cual entra el medio de refrigeración en
el espacio de distribución, y el espacio colector presenta una
abertura de salida del medio de refrigeración a través de la cual el
medio de refrigeración vuelve a abandonar el espacio colector. En
particular, en el caso de montones de pilas de combustible altas o
en el caso de pilas de combustibles individuales de gran superficie
puede ser ventajoso el hecho de prever en el espacio de
distribución una estructura de división para el mejor guiado de la
corriente del medio de refrigeración. Alternativa o adicionalmente
también pueden estar previstas varias aberturas de entrada de
refrigeración en el espacio de distribución, que igualmente
requieren una distribución más uniforme del medio de refrigeración
introducido. También el espacio colector puede presentar varias
aberturas, es decir, aberturas de salida, y contener una estructura
de distribución del medio de refrigeración. En este caso se puede
invertir, en caso de que se desee, sin ningún problema, la
dirección de la corriente del medio de refrigeración.
El espacio de distribución del medio de
refrigeración (de modo análogo para el espacio colector) también
puede estar dividido por medio de paredes de separación en dos o
más segmentos, o bien puede estar conformado a partir de espacios
parciales, cada uno de los cuales está cerrado. Cada segmento o cada
espacio parcial presentan al menos una abertura de entrada del
medio de refrigeración.
De este modo se pueden prever, por ejemplo, en
una superficie lateral del montón en la dirección de amontonamiento,
uno encima de otro, tres espacios de medio de refrigeración
contiguos uno al otro, fluyendo en el espacio de distribución del
medio de refrigeración más medio de refrigeración o medio de
refrigeración más frío que en los otros dos espacios de
distribución del medio de refrigeración. Gracias a ello se produce
una refrigeración mayor de las pilas de combustible individuales en
la región central del montón, que se encontrarían, en caso de una
refrigeración más uniforme del montón, a una temperatura mayor que
las celdas en la región del borde del montón. La misma acción se
consigue cuando se introduce medio de refrigeración de la misma
temperatura y en la misma cantidad en los espacios de distribución
del medio de refrigeración, si bien el espacio de distribución del
medio de refrigeración suministra a menos pilas de combustible
individuales con medio de refrigeración que a los otros dos
espacios de distribución, de manera que en la región central del
montón se da una velocidad de corriente mayor, y gracias a ello se
consigue una acción de refrigeración mejor en el centro.
Según otra variante del sistema de pilas de
combustible conforme a la invención, los espacios de distribución
del medio de refrigeración y/o los espacios colectores del medio de
refrigeración se pueden disponer en varias superficies laterales
del montón. Esto representa una ventaja, en particular, en el caso
de determinadas formas de celda, por ejemplo, en el caso de pilas
de combustible octogonales, para asegurar un fluido del medio de
refrigeración uniforme.
Los sistemas de pilas de combustible en los que
el medio de refrigeración fluye a través de espacios intermedios
entre las placas de polo que limitan con las pilas de combustible
contiguas, se han de obturar en las posiciones en las que no se
encuentra ningún espacio de distribución del medio de refrigeración
y ningún espacio colector del medio de refrigeración, por medio de
un medio de obturación adecuado, para que el medio de refrigeración
no pueda salir de los espacios intermedios. Como medio de obturación
está indicado cualquier material que sea resistente al medio de
refrigeración, así como a las temperaturas de trabajo de las pilas
de combustible. Por ejemplo, los espacios intermedios entre las
pilas de combustible individuales en sus regiones del borde
exteriores pueden estar obturados con tiras de silicona, de manera
que, vista desde fuera, se origina una secuencia de montón pila de
combustible individual - medio de obturación - pila de combustible
individual - medio de obturación, etc. El medio de obturación se
puede pegar con las placas de polo de las pilas de combustible
individuales contiguas, o bien se puede pegar él mismo con ellas, o
también se pueden introducir tiras de medio de obturación entre las
pilas de combustible individuales sin que se produzca un pegado, de
manera que la obturación hermética al medio de refrigeración hacia
el exterior se produzca al apretar las pilas de combustible
individuales en un montón.
En los espacios intermedios entre las pilas de
combustible individuales, es decir, entre las placas de polo que
limitan las celdas, están dispuestas, preferentemente, estructuras
de distanciamiento. Además de garantizar la distancia óptima entre
las pilas de combustible individuales, estas estructuras de
distanciamiento pueden hacerse cargo de otras funciones. Cuando
están hechas de un material eléctricamente conductor, pueden
establecer el contacto eléctrico entre la placa de polo de la parte
del ánodo y la placa de polo de la parte del cátodo de pilas de
combustibles individuales contiguas. Además, su forma se puede
elegir de tal manera que lleven el medio de refrigeración en un
recorrido deseado a través de los espacios intermedios.
Una posibilidad es, por ejemplo, prever en los
espacios intermedios distanciadores en forma de tiras, que
discurran en línea recta o de modo ondulado, a una distancia deseada
entre ellos, desde una superficie lateral del montón hacia la
superficie lateral opuesta del montón. Alternativamente, también se
pueden prever distanciadores curvados que comiencen y finalicen en
la misma superficie lateral del montón. Alternativamente, también
pueden estar previstos distanciadores curvados que comiencen y
finalicen en la misma superficie lateral del montón. En este tipo
de distanciadores que discurren en forma curvada es posible colocar
un espacio de distribución del medio de refrigeración y un espacio
colector del medio de refrigeración en la misma superficie lateral
del montón. Preferentemente se trata de un espacio de distribución
del medio de refrigeración/espacio colector del medio de
refrigeración combinado con una pared de separación central o bien
que discurra de modo aproximadamente central en la dirección del
montón. La pared de separación debería estar aislada térmicamente,
preferentemente, para evitar un intercambio de calor entre el medio
de refrigeración frío y el medio de refrigeración calentado. La
pared de separación separa el espacio del medio de refrigeración en
dos segmentos, siendo uno de los segmentos el espacio de
distribución del medio de refrigeración y el otro segmento el
espacio colector del medio de refrigeración. Los segmentos,
preferentemente, son igual de grandes, si bien también pueden tener
tamaños diferentes. Alternativamente también se pueden usar dos
espacios de medio de refrigeración diferentes, que se unen entre
ellos, por ejemplo, se sueldan o se pegan. En estas variantes sólo
se provee una superficie lateral del montón con un espacio de
distribución del medio de refrigeración/espacio colector del medio
de refrigeración. Las otras tres superficies laterales del montón
están obturadas por medio de obturaciones en los espacios
intermedios entre las pilas de combustible individuales. Una ventaja
especial de estas variantes es el ahorro de peso, por un lado, por
medio de ahorros de material, y por otro lado por la menor cantidad
de medio de refrigeración en el montón. El medio de refrigeración
fluye en este caso en una de las mitades de una superficie lateral
del montón en los espacios intermedios entre las pilas de
combustible individuales, en arcos a través de los espacios
intermedios, y volviendo a salir en la otra mitad de la misma
superficie lateral del montón de la pila. Puesto que los recorridos
de la corriente del medio de refrigeración en la región central de
un espacio intermedio son más cortos que en las regiones del borde,
en este caso se produce una mejor refrigeración, lo que representa
una ventaja, en particular, en tanto que las pilas de combustible
están normalmente más calientes en su región central que en sus
regiones del borde.
Lo mismo es válido para la forma de realización
con pasos del medio de refrigeración en las placas bipolares entre
las pilas de combustible individuales. En este caso se prescinde,
naturalmente, de una obturación de los espacios intermedios.
También en el caso de la variante con un espacio
de distribución/espacio colector combinado en la misma superficie
lateral del montón de la pila de combustible se pueden dividir de
nuevo, naturalmente, el espacio de distribución del medio de
refrigeración y el espacio colector del medio de refrigeración en la
dirección del montón, disponiendo cada parte de una abertura de
entrada del medio de refrigeración o de una abertura de salida del
medio de refrigeración. De este modo, en este caso también es
posible una refrigeración de diferente fuerza en diferentes regiones
del montón de la pila de combustible.
En el caso de recorridos de la corriente del
medio de refrigeración curvados resulta que los recorridos de la
corriente tienen diferentes longitudes. En caso de que se desee una
refrigeración uniforme dentro de un plano, por ejemplo, en un
espacio intermedio o en una placa bipolar, entonces es adecuado
elegir la anchura de los recorridos de corriente de tal manera que
la caída de presión para cada recorrido de corriente sea idéntica.
Los recorridos de corriente largos, debido a esto, han de ser
anchos, los cortos, por el contrario, han de ser más estrechos.
Para la consecución de una refrigeración de
diferente intensidad en la región central del montón y en las
regiones finales del montón también se pueden conformar los
recorridos de corriente para el medio de refrigeración en las
regiones correspondientes con una anchura diferente.
La disposición u orientación del sistema de
pilas de combustible conforme a la invención, es decir, la dirección
de la corriente del medio de refrigeración, es arbitraria.
El sistema de pilas de combustible conforme a la
invención, así como el procedimiento conforme a la invención para
la refrigeración del sistema de pila de combustible, requieren
fundamentalmente sólo la existencia de dos pilas de combustible
individuales, habitualmente, sin embargo, estarán contenidas varias
pilas de combustible que están amontonadas para formar un montón de
pilas de combustible de típicamente aproximadamente 10 a 100 pilas
de combustible. En la parte inferior y en la parte superior del
montón están previstos, respectivamente, colectores de corriente,
típicamente en forma de chapas colectoras de corriente y chapas de
derivación de corriente. Las pilas de combustible y los colectores
de corriente se conectan eléctricamente en serie. La pila de pilas
de combustible se cierra finalmente con placas terminales, que se
colocan en la parte opuesta al montón, respectivamente, de los
colectores de corriente.
Los montones de pilas de combustible con
espacios intermedios entre las pilas de combustible individuales
presentan preferentemente, tal y como ya se ha indicado
anteriormente, en los espacios intermedios, estructuras de
distanciamiento. Estas estructuras de distanciamiento pueden estar
hechas de un material eléctricamente conductor, como metal o
materiales que contengan carbono, por ejemplo, papel de fibra de
carbono, con estructuras porosas, y al mismo tiempo pueden actuar
como dispositivo de unión eléctrica entre las pilas de combustible
individuales. Sin embargo, también se pueden emplear estructuras de
distanciamiento que no sean conductoras eléctricamente, por
ejemplo, hechas de plástico, y se pueden prever dispositivos de
unión eléctrica separados. Las estructuras de distanciamiento
pueden ser componentes separados, si bien también pueden estar
conformadas en una pieza con una placa de polo o en una pieza con
dos placas de polo. Como materiales para las estructuras de
distanciamiento se prefieren materiales conductores eléctricamente.
En el caso de la conformación en una pieza con una o con las dos
placas de polo contiguas, éstas están hechas de un material idéntico
al de las placas de polo, típicamente metal o materiales que
contengan carbono.
Las dimensiones de los espacios intermedios se
deben seleccionar de tal manera que permitan un flujo sin obstáculos
del medio de refrigeración y una refrigeración uniforme.
Dependiendo del tamaño de las pilas de combustible se puede
considerar una distancia entre celdas contiguas de aproximadamente
0,1-10 mm, preferentemente 0,2-5 mm,
especialmente preferido 0,2-1 mm, como algo
adecuado. Una estructura de distanciamiento prevista en los
espacios intermedios ha de obstaculizar en la menor medida posible
el flujo del medio de refrigeración. Se prefieren las estructuras
de distanciamiento que conforman para el medio de refrigeración
estructuras en forma de canal o en forma de poro. Lo mismo es
válido para las dimensiones y la conformación de los pasos del medio
de refrigeración en las placas bipolares.
Por medio del orden del montón, pila de
combustible - espacio intermedio (con estructura de distanciamiento)
o bien placa bipolar con pasos - pila de combustible, etc., se
realiza una conexión hidráulica en paralelo del medio de
refrigeración transversalmente a través de la pila de combustible,
gracias a lo cual se consigue una refrigeración muy uniforme con
diferencias de presión muy reducidas. Típicamente, la pérdida de
presión se encuentra, independientemente de la magnitud de las
pilas de combustible y de la absorción de calor del medio de
refrigeración, en el intervalo que va de pocos cientos de pascales a
algunos miles de pascales.
Adicionalmente a los espacios intermedios entre
las pilas de combustible individuales, también puede estar previsto
un espacio intermedio entre la pila de combustible más inferior y la
pila de combustible más superior de un montón, y el colector de
corriente contiguo. Estos espacios intermedios adicionales tienen la
ventaja de que también a través de la placa de polo más inferior y
de la placa de polo más superior de un montón fluye medio de
refrigeración. En este caso se requiere la conexión eléctrica entre
estas placas de polo de cierre y el colector de corriente.
Las pilas de combustible individuales pueden ser
cualquier tipo de pilas de combustible de membrana de electrolito
de polímero disponibles comercialmente, por ejemplo, con electrodos
de material de fibra de carbono, placas de polo o placas bipolares
hechas de metal, o grafito o materiales compuestos de
grafito-plástico, y una membrana de Nafion® o una
membrana de Gore.
\newpage
La forma del espacio de distribución de medio de
refrigeración y del espacio colector del medio de refrigeración es
fundamentalmente arbitraria en tanto que se garantice una conexión
hermética al medio de refrigeración con el montón. Por ejemplo, se
puede usar una pieza de material plano en forma de "U", que se
coloque en una superficie lateral (superficie lateral de entrada
del medio de refrigeración) del montón de tal manera que los dos
lados de la "U" comprendan la región del borde de las dos
superficies laterales del montón contiguas, ocupándose un medio de
sellado, por ejemplo, silicona o caucho butílico, de que se produzca
la hermeticidad entre las superficie laterales y los lados de la
"U". El espacio limitado por el material plano y la superficie
lateral de entrada del medio de refrigeración se puede cerrar hacia
arriba y hacia abajo, por ejemplo, por medio de las dos placas
terminales del montón, usándose aquí también un medio de sellado
adecuado. El espacio de distribución del medio de refrigeración y
el espacio colector del medio de refrigeración, sin embargo, pueden
tener también la forma de una bandeja con dimensiones adaptadas a la
superficie lateral correspondiente. La bandeja se pega y/o se
atornilla por medio de medios de sellado. Para la consecución de una
superficie de sellado mayor se pueden doblar las paredes laterales
de la bandeja hacia el interior. Las regiones dobladas se proveen
de medios de sellado o pegamento, y se fijan en la región exterior
del borde de la superficie lateral del montón. Medios de sellado y
pegamentos adecuados para las finalidades indicadas anteriormente
son, por ejemplo, silicona, pegamentos de silicona y caucho
butílico.
Como otra variante ventajosa se menciona una
bandeja con una superficie base que se corresponde, por lo que se
refiere a su forma, con la superficie lateral del montón, pero es
ligeramente mayor, de manera que la bandeja se puede encajar en el
montón. Para la estanquidad se introduce un medio de sellado entre
las paredes laterales de la bandeja y las paredes laterales del
montón y entre las paredes laterales de la bandeja y las placas del
montón. De este modo se usa el espacio del medio de refrigeración
para el apretado del montón.
Al usar medios de refrigeración eléctricamente
conductores se recomienda el empleo de materiales no conductores
para todos los componentes. Las placas bipolares, o bien las placas
de polos, los colectores de corriente y los dispositivos de unión
eléctrica, por ejemplo, la estructura de distanciamiento entre las
pilas de combustible individuales (cuando actúa como dispositivo de
unión eléctrica) han de estar hechas, naturalmente, en todo
momento, de material eléctricamente conductor. Estos componentes, al
usar un medio de refrigeración conductor o agresivo, han de ser
revestidos con una capa de protección correspondiente, por ejemplo,
con laca aislante al usar medios de refrigeración conductores, o de
otro material resistente contra el medio de refrigeración usado.
Preferentemente, el montón de las pilas de combustible se monta
completamente, incluyendo los distanciadores, y a continuación se
reviste de laca aislante, por ejemplo, por medio de inmersión. De
esta manera se encapsula completamente todo el montón de pilas de
combustible, se aísla y se protege.
Para el suministro de las pilas de combustible
con gas de combustión y medios de oxidación, las pilas de
combustible individuales presentan, respectivamente, al menos un
suministro de gas de combustión y al menos una salida de gas de
combustión, así como al menos un suministro de medio de oxidación y
al menos una salida de medio de oxidación. Estos suministros de
reactivos y las salidas de reactivos se han de disponer y de sellar
de manera que no sea posible ningún tipo de contacto entre los
reactivos y el medio de refrigeración. En el sistema de pilas de
combustible conforme a la invención se da un desacoplamiento total
de los medios medio de oxidación - gas de combustión - medio de
refrigeración y de los sistemas de obturación correspondientes en
las pilas de combustible individuales y en el montón de pilas de
combustible. Mediante el desacoplamiento de los sistemas de
sellado, el montón de pilas de combustible se puede construir a
partir de celdas individuales comprobadas en su hermeticidad ya
antes del montaje. Se han de sellar únicamente los canales
individuales de suministro del gas y los canales de salida del gas
para gas de combustión y medios de oxidación entre las pilas de
combustible individuales.
La juntura para el medio de refrigeración se
realiza exclusivamente en el exterior de las pilas de combustible
individuales, es decir, a lo largo de las superficies laterales y
placas terminales del montón de pilas de combustible, o sólo en las
superficies laterales del montón de pilas de combustible, y con ello
se retira del interior directo de la pila de combustible. Se evitan
problemas, como los que se producen en sistemas de pilas de
combustible en los que la estanquidad de las capas individuales, que
guían el medio de las celdas individuales así como de los canales
de suministro de medios y canales de salida de medios, cuando se ha
realizado el montaje completo del montón en primer lugar, es decir,
problemas que radican en la variedad de los sistemas de obturación
de medios individuales y en requerimientos de estanquidad.
Un modo preferido del desacoplamiento de todos
los medios viene dado por el hecho de que en cada pila de
combustible entre la unidad de electrodo de membrana y las placas
de polo o placas bipolares contiguas se prevean juntas de tal
manera que las regiones parciales de las placas de polo o de las
placas bipolares y de la unidad de electrodo de membrana estén
fuera de esta junta, siendo las regiones para la placa de polo de la
parte del ánodo (placa bipolar) y la placa de polo de la parte del
cátodo (placa bipolar) regiones que no se solapan entre ellas. En
este caso se puede tratar de regiones de esquina, aunque también se
puede tratar de otras regiones, por ejemplo, centrales, de manera
que se produzcan, por ejemplo, una corriente en cruz de los gases
de reacción. La región dentro de la obturación entre la unidad de
electrodo de membrana y la placa del polo de la parte del ánodo o
del cátodo (placa bipolar) es la región de reacción activa con el
suministro y la salida para el gas de reacción requerido
correspondiente. En las regiones fuera de la junta se encuentran
los suministros y salidas del gas de reacción que no se requiere en
la región de reacción activa correspondiente, que se encuentran
hermetizados de modo separado. En esta disposición representa una
ventaja, en particular, el hecho de que los suministros de gas de
combustión y las salidas de gas de combustión, así como los
suministros de medio de oxidación y las salidas de medio de
oxidación se encuentran en el espacio a través del cual fluye el
medio de refrigeración, y son lavadas por el medio de refrigeración.
No se ha de temer, sin embargo, una penetración de medio de
refrigeración en los circuitos del gas de reacción, ya que en las
pilas de combustible individuales hay una presión mayor que en el
sistema del medio de refrigeración.
Las pilas de combustible deben obturarse de tal
manera que no vaya a parar ningún medio de refrigeración en el
interior de las pilas de combustible. En este caso da igual si cada
pila de combustible individual está obturada de por sí, o si la
obturación se realiza por primera vez cuando se aprietan las pilas
de combustible para formar un montón. Los requerimientos a la
obturación de las pilas de combustible respecto al medio de
refrigeración se pueden satisfacer de un modo relativamente
sencillo, ya que en las pilas de combustible individuales se da una
mayor presión que en el sistema de medio de refrigeración. Son
típicas presiones del gas de combustión de aproximadamente 01, x
10^{5} - 0,5 x 10^{5} Pa por encima de la presión atmosférica y
presiones de medio de oxidación de aproximadamente 0,1 x 10^{5} a
0,5 x 10^{5} Pa por encima de la presión atmosférica. El sistema
de pilas de combustible conforme a la invención, sin embargo, está
indicado para presiones cualesquiera en la parte del gas de
combustión y del medio de oxidación, por ejemplo, también para
presiones de 2 x 10^{5} a 4 x 10^{5} Pa o por encima. Así pues,
no se favorece la penetración de medio de refrigeración en las pilas
de combustible.
El suministro y salida de los gases de reacción
en el espacio a través del cual fluye el medio de refrigeración
hacia el interior o hacia el exterior se lleva a cabo,
preferentemente, a través de pasos en las placas terminales.
También el medio de refrigeración mismo se puede suministrar o
extraer por medio de pasos en las placas terminales, en caso de que
las placas terminales sean una parte constituyente del espacio de
distribución del medio de refrigeración o bien del espacio colector
del medio de refrigeración.
Por medio de la conformación del sistema de
pilas de combustible según la invención, cuando se usa agua
corriente como medio de refrigeración, el medio de refrigeración
calentado se puede acoplar directamente a un circuito de agua de
servicio. También se puede usar, sin embargo, un intercambiador de
calor. En cualquier caso, como consecuencia de la reducida pérdida
de presión al producirse el flujo a través del sistema de pilas de
combustible sólo se requiere una potencia de bombeo reducida para
el bombeo, de manera que, por ejemplo, se puede usar una bomba
centrífuga sencilla.
Como ventajas particulares del sistema de pilas
de combustible conforme a la invención se ha de resaltar, en
particular, el hecho de que el sistema está construido, desde un
punto de vista constructivo, de manera muy sencilla, los espacios
de distribución del medio de refrigeración y los espacios colectores
del medio de refrigeración añaden al sistema total únicamente un
poco de peso, el circuito del medio de refrigeración y los
circuitos de medio de reacción están desacoplados totalmente, y se
garantiza una refrigeración excelente, uniforme, que en caso de que
se desee se puede adaptar a las diferencias de temperatura dentro de
un montón.
Alternativamente a las formas de realización
descritas con espacios de distribución del medio de refrigeración y
espacios colectores del medio de refrigeración, el montón de pilas
de combustible también puede estar rodeado completamente por una
envoltura de medio de refrigeración a través de la cual fluya un
medio de refrigeración, o bien se puede introducir en un recipiente
a través del cual fluye un medio de refrigeración. Esto tiene la
desventaja de un peso más elevado, si bien tiene la ventaja de que
por medio del cierre de todo el montón de la pila de combustible,
por medio del medio de refrigeración se evita la salida de gases de
reacción desde las celdas a la atmósfera, es decir, el sistema es
seguro respecto a faltas de hermeticidad en la parte del gas de
combustión, así como en la parte del aire / del oxígeno. Por el
contrario, se puede evitar la entrada del medio de refrigeración en
los circuitos del gas de reacción, ya que la presión está en los
circuitos del gas de reacción por encima de la presión del circuito
del medio de refrigeración.
La envoltura del medio de refrigeración puede
estar conformada de una pieza, o bien puede estar compuesta por
varias piezas, que estén soldadas, pegadas o unidas de modo
hermético de otra manera entre ellas. Por ejemplo, se puede prever
un espacio de distribución del medio de refrigeración y un espacio
colector del medio de refrigeración separados entre ellos, que
estén unidos a lo largo de las superficies laterales del montón de
pilas de combustible no cubiertas por estos espacios,
respectivamente, con una placa, de manera que se produce una
envoltura del medio de refrigeración pasante.
Como materiales para el espacio de distribución
de medio de refrigeración, el espacio colector del medio de
refrigeración, dado el caso la envoltura del medio de refrigeración,
y la estructura de distribución en el espacio de distribución del
medio de refrigeración se usan, preferentemente, materiales
plásticos no conductores, por ejemplo, polipropileno o fluoruro de
polivinilo. Esto, sin embargo, no es obligatorio. En la
refrigeración con un medio de refrigeración no conductor se pueden
usar fundamentalmente también materiales eléctricamente
conductores, por ejemplo, acero fino, aluminio o titanio. Sólo se
requiere que las placas bipolares o las placas de polo, así como el
colector de corriente y los dispositivos de unión que unen el
contacto eléctrico entre las pilas de combustible entre sí, o bien,
dado el caso, entre pilas de combustible y colectores de corriente,
no tengan ningún contacto eléctrico con el espacio de distribución
del medio de refrigeración, el espacio colector del medio de
refrigeración o la envoltura del medio de refrigeración. Cuando no
se puede garantizar el aislamiento eléctrico por medio de espacios
intermedios entre los componentes conductores, se han de colocar en
una posición adecuada capas eléctricamente aislantes.
En el caso de una cubierta de medio de
refrigeración eléctricamente conductora, para el aislamiento
eléctrico se puede colocar, por ejemplo, una capa eléctricamente
aislante en la parte interior de la superficie lateral de la
cubierta del medio de refrigeración que se encuentra en el montón de
pilas de combustible, o bien entre las superficies laterales de la
cubierta del medio de refrigeración y las superficies laterales
opuestas del montón de pilas de combustible se puede dejar libre un
espacio intermedio. Un espacio intermedio de este tipo tiene, al
mismo tiempo, la ventaja de que en las superficies exteriores del
montón de pilas de combustible también fluye medio de
refrigeración. Un espacio intermedio de este tipo tendría
típicamente una anchura de hasta 10 mm, preferentemente, sin
embargo, sólo de aproximadamente 1 mm, para garantizar que el medio
de refrigeración preferentemente fluye a través de los espacios
intermedios a través de las celdas.
En la variante preferida de la colocación de al
menos un espacio de distribución del medio de refrigeración y al
menos un espacio colector del medio de refrigeración, en la misma
superficie lateral o en diferentes superficies laterales del montón
de pilas de combustible, normalmente no aparece el problema de un
contacto eléctrico, ya que en los puntos de contacto del espacio de
distribución del medio de refrigeración y el espacio colector del
medio de refrigeración con el montón de pilas de combustible, por
regla general, está colocado un medio de sellado, como por ejemplo,
silicona o caucho butílico, que actúa de modo eléctricamente
aislante.
A continuación se explican con más detalle
formas de realización especialmente preferidas de la invención a
partir de las figuras.
En los dibujos se muestra:
Fig. 1a una sección a través de dos pilas de
combustible contiguas en la dirección de amontonamiento, es decir,
el plano de sección contiene el eje longitudinal del montón de pilas
de combustible, con estructura de distanciamiento en medio,
Fig. 1b una sección a través de dos pilas de
combustible contiguas en la dirección de amontonamiento con pasos
en la placa bipolar dispuesta en medio,
Fig. 2a una sección a través de un sistema de
pilas de combustible conforme a la invención en la dirección de
amontonamiento,
Fig. 2b y 2c una sección a través de un sistema
de pilas de combustible conforme a la invención en el plano de un
espacio intermedio entre pilas de combustible individuales, cada una
de ellas con diferentes disposiciones de espacio de distribución de
medio de refrigeración, espacio colector del medio de refrigeración
y estructuras de distanciamiento,
Fig. 3a, 3b una pared de un espacio de
distribución de medio de refrigeración conforme a la invención,
respectivamente con una colocación diferente del medio de
sellado,
Fig. 3c un sellado conforme a la invención entre
la pared del espacio de distribución del medio de refrigeración y
la placa terminal del montón,
Fig. 4a una vista en planta desde arriba de un
sellado conforme a la invención entre la unidad de electrodo de
membrana y la placa de polo de la parte del ánodo, así como del
suministro y de la salida del medio de oxidación,
Fig. 4b una vista en planta desde arriba de un
sellado conforme a la invención entre la unidad de electrodo de
membrana y la placa de polo de la parte del cátodo, así como del
suministro y de la salida de gas de combustible.
\vskip1.000000\baselineskip
Las mismas cifras de referencia en las figuras
indican componentes iguales o correspondientes.
Tal y como se puede ver a partir de la Fig. 1a,
una pila de combustible individual 2 se compone principalmente de
los componentes unidad de electrodo de membrana 4 - formada por una
membrana, capas de catalizadores en la parte del cátodo y del ánodo
y capas de difusión de gas - así como una placa de polo en la parte
del ánodo 5 y en la parte del cátodo 6 y por el sistema de sellado.
En las placas de polo están practicadas estructuras de distribución
de gas, que están indicadas en la Fig. 1a por medio de las líneas a
trazos. Entre las dos pilas de combustible se encuentra un espacio
intermedio 10, garantizándose el contacto eléctrico entre la placa
de polo de la parte del ánodo de una de las celdas y la placa de
polo de la parte del cátodo de la celda contigua por medio de una
estructura de distanciamiento 11 eléctricamente conductora en el
espacio intermedio 10. La estructura de distanciamiento 11 posee
pasos para un medio de refrigeración 13, que fluye a lo largo de la
superficie de la placa de polo 5 de la parte del ánodo de una de las
celdas y de la superficie de la placa de polo 6 de la parte del
cátodo de la celda contigua, y gracias a ello la refrigera. Los
pasos para el medio de refrigeración son, preferentemente,
estructuras en forma de canal o de poros. La estructura de
distanciamiento 11 puede ser o bien parte de una placa de polo de
una pila de combustible individual, parte de placas de polo
contiguas de dos pilas de dos combustibles, o bien puede ser un
componente independiente.
La Fig. 1b muestra igualmente dos pilas de
combustible contiguas, tal y como también están mostradas en la
Fig. 1a. Las pilas de combustible individuales, sin embargo, no
están separadas entre ellas mediante un espacio intermedio, sino
que poseen una placa 7 bipolar común con salidas 12 para un medio de
refrigeración 13. Las salidas 12 están representadas con una
sección transversal en forma circular, si bien también pueden tener
otra forma. Fundamentalmente, la forma, anchura y disposición de las
salidas 12 en la placa 7 bipolar son arbitrarias en tanto que pueda
entrar el suficiente medio de refrigeración 13.
La Fig. 2a muestra una sección a través de un
sistema de pilas de combustible conforme a la invención en la
dirección de amontonamiento. Entre las pilas de combustible 2, así
como entre la primera y la última pila de combustible del montón 3
y el colector de corriente contiguo en la placa terminal 22 se
encuentran espacios intermedios 10, a través de los cuales fluye
medio de refrigeración 13 durante el funcionamiento. En dos
superficies laterales opuestas entre ellas del montón de pilas de
combustible 3 está indicado, respectivamente, de modo esquemático,
un espacio en forma de cámara. El espacio representado en la Fig. 2a
en la parte izquierda es un espacio de distribución 15 de medio de
refrigeración, en el que desemboca una abertura de entrada 16 de
medio de refrigeración, y en el que se encuentra una estructura de
distribución 17 de un medio de refrigeración. El espacio
representado en la Fig. 2a en el espacio representado en la parte
derecha es el espacio colector 18 de medio de refrigeración con una
abertura de salida 19 de medio de refrigeración. El cierre superior
e inferior del sistema de pilas de combustible conforman las dos
placas terminales 22, que sobresalen por encima de la disposición
formada por el montón de pilas de combustible 3, el espacio de
distribución 15 del medio de refrigeración y el espacio colector de
medio de refrigeración 18. De este modo, al apretar el montón 3 se
tensan al mismo tiempo el espacio de distribución del medio de
refrigeración y el espacio colector del medio de refrigeración.
Para el sellado entre el espacio de distribución 15 del medio de
refrigeración o el espacio colector 18 del medio de refrigeración y
las placas terminales 22 se usa preferentemente un medio de
sellado, que se puede volver a desprender sin que se produzcan daños
de las partes unidas, por ejemplo, silicona, pegamento de silicona
o caucho butílico, para permitir sin problemas trabajos de
mantenimiento en el montón de las pilas de combustible. En las dos
placas terminales 22 se encuentran pasos (no mostrados aquí) para
el suministro de gas de combustión y medio de oxidación al montón de
pilas de combustible, y para la salida de gas de combustión y medio
de oxidación del montón de pilas de combustible. También pueden
estar previstas en las placas terminales aberturas de entrada y
aberturas de salida para el medio de refrigeración en el espacio de
distribución del medio de refrigeración o saliendo del espacio
colector del medio de refrigeración. Durante el funcionamiento del
sistema de pilas de combustible 1 entra medio de refrigeración 13 en
la abertura de entrada 16 del medio de refrigeración en el espacio
de distribución 15 del medio de refrigeración, fluye a través de
los espacios intermedios 10 entre las pilas de combustible
individuales 2, a lo largo de las superficies de las placas de polo
5, 6, y alcanza el espacio colector 18 del medio de refrigeración,
que vuelve a abandonar a través de la abertura de salida 19 del
medio de refrigeración. En los espacios intermedios 10 están
indicadas estructuras de distanciamiento 11 a través de las líneas
a trazos.
La Fig. 2b muestra una sección a través del
sistema de pilas de combustible 1 de la Fig. 2a a lo largo de las
líneas A A', es decir, una sección a través de un espacio intermedio
10 entre dos pilas de combustible individuales 2 perpendicular a la
dirección de amontonamiento. En el espacio intermedio 10 se
encuentran distanciadores 11, representados en forma de líneas
paralelas, que actúan al mismo tiempo como dispositivo de unión
eléctrico entre las placas de polo de las pilas de combustible
contiguas. El medio de refrigeración 13 fluye a través de los
espacios intermedios 14 entre los distanciadores 11. En dos
superficies laterales 23, 23' opuestas entre ellas del montón de
pilas de combustible se encuentran, respectivamente, un espacio de
distribución 15 del medio de refrigeración y un espacio colector 18
del medio de refrigeración en forma de cámara, que están
representados en la Fig. 2b de modo idéntico, lo que, sin embargo,
no es obligatorio. Para la conformación del espacio de distribución
del medio de refrigeración y del espacio colector del medio de
refrigeración se desplaza respectivamente una pieza de material
plano con sección transversal en forma de "U" a modo de
abrazadera por las superficies laterales del montón 24, 24', y se
coloca un medio de sellado 26 en los puntos de contacto entre el
espacio de distribución del medio de refrigeración y las superficies
laterales de amontonamiento 24, 24'. En dos bordes opuestos entre
ellos de cada espacio intermedio 10 se encuentra, respectivamente,
una tira de medio de sellado 25 que obtura el espacio intermedio 10
hacia fuera. El medio de sellado 25 se extiende a lo largo de toda
la longitud del espacio intermedio, es decir, también entrando en la
región que está cubierta por las selladuras 26. Así pues, las
superficies laterales del montón 24, 24' están formadas, en este
caso, en cambio, de medios de sellado 25 y de partes frontales de
pilas de combustible individuales.
Durante el funcionamiento entra medio de
refrigeración 13 a través de la abertura de entrada 16 de medio de
refrigeración en el espacio de distribución 15 de medio de
refrigeración con la estructura de distribución 17 de medio de
refrigeración dispuesta en su interior, entra en la superficie
lateral del montón 23 en la pila 3, fluye a través de los
recorridos de la corriente 14 de medio de refrigeración, abandona la
pila en la superficie lateral del montón 23' opuesta, entra en el
espacio colector 18 del medio de refrigeración y abandona éste a
través de la abertura de salida 19 del medio de refrigeración. En
las superficies laterales del montón 24, 24', gracias al medio de
sellado 25, no sale ningún medio de refrigeración.
Si se corta la forma de realización mostrada en
la Fig. 2b a lo largo de la línea BB', entonces resulta la
representación según la Fig. 2a.
La Fig. 2c muestra igualmente una sección a
través de un sistema de pilas de combustible conforme a la invención
en el plano de un espacio intermedio entre dos pilas de combustible
individuales, si bien en este caso el espacio de distribución 15
del medio de refrigeración y el espacio colector 18 del medio de
refrigeración están dispuestos en la misma superficie lateral 23
del montón de pilas de combustible. En este caso se trata de un
espacio de distribución/espacio colector combinado que, visto desde
fuera, presenta la misma forma que un espacio de distribución de
medio de refrigeración o bien de un espacio colector de medio de
refrigeración en la Fig. 2b. Una pared de separación 8 térmicamente
aislante, que discurre aproximadamente de modo central en la
dirección de amontonamiento separa el espacio en dos segmentos, a
cada uno de los cuales se puede acceder de modo separado, el
segmento del espacio de distribución 15 del medio de refrigeración a
través de la abertura de entrada 16 y el segmento del espacio
colector 18 del medio de refrigeración a través de la abertura de
salida 19. Por medio de la estructura de distanciamiento 11 se
conforman recorridos de corriente 14 del medio de refrigeración,
que tienen una forma curvada, y que conducen el medio de
refrigeración desde su entrada en una mitad de la superficie
lateral del montón 23 a su salida en la otra mitad de la superficie
lateral del montón 23, distribuyéndose el medio de refrigeración
del modo más uniforme posible en el espacio intermedio. En el resto
de superficies laterales del montón 24 está previsto, en el borde de
cada espacio intermedio, una tira de medio de sellado 25, para que
no pueda salir ningún medio de refrigeración.
Las Figuras 3a y 3b muestran respectivamente una
pared para un espacio de distribución 15 del medio de refrigeración
conforme a la invención con sección transversal en forma de
"U". Un espacio colector 18de medio de refrigeración puede
estar conformado, naturalmente, de modo idéntico. En la interior de
los lados de la "U", que se solapan por encima de las
superficies laterales del montón 24, 24' cuando se coloca la pared
del espacio de distribución del medio de refrigeración en el montón
de las pilas de combustible 3, se encuentra un medio de sellado 26
para el sellado lateral del espacio de distribución del medio de
refrigeración. En las formas de realización según las Fig. 3a y 3b
se usan las placas terminales del montón 22 para la conformación del
espacio de distribución del medio de refrigeración. En caso de que
las placas terminales sobresalgan lo suficiente por encima de la
superficie base del montón de las pilas de combustible 3, tal y como
se indica en las Figuras 2a a 2c, entonces las placas terminales se
pueden colocar sencillamente sobre la pieza de material plano en
forma de "U", y los bordes que se originan se pueden sellar
con un medio de sellado 27, tal y como se muestra en la Fig. 3a.
Cuando las placas terminales en las superficies laterales 24, 24'
del montón 3 no sobresalen por encima de la superficie base del
montón, se puede colocar el medio de sellado 27 para el sellado con
las placas terminales del montón en las partes interiores de la
pieza de material plano en forma de "U", tal y como se muestra
en la Fig. 3b.
Otra variante de una unión entre la placa
terminal 22 y el material plano que conforma el espacio de
distribución del medio de refrigeración se muestra en la Fig. 3c.
En las placas terminales 22 se practica una ranura circular que se
corresponde con la pieza de material plano en forma de "U" del
espacio de distribución del medio de refrigeración, habiendo de ser
la anchura de la ranura algo mayor que el grosor de la pared de la
pieza de material plano. En la ranura se introduce el medio de
sellado, y a continuación se mete o se presiona la pieza de material
plano en el medio de sellado.
Las Figuras 4a y 4b muestran una forma de
realización preferida del desacoplamiento conforme a la invención
del circuito del medio de refrigeración de los circuitos que llevan
el gas de combustión y el aire/oxígeno. Entre la unidad de
electrodo de membrana de una pila de combustible individual, y las
placas de polo de la parte del ánodo y de la parte del cátodo se
encuentran, respectivamente, junturas. La Fig. 4a muestra una vista
en planta desde arriba de una parte del ánodo de una unidad de
electrodo de membrana con juntura 36 hacia la placa de polo de la
parte del ánodo. La juntura 36 encierra una región de reacción 34
activa, si bien deja libre dos regiones de la esquina dispuestas
opuestas entre ellas de la unidad de electrodos de membrana. El
suministro de gas de combustión 30 y la salida de gas de combustión
31 se encuentran en el interior de la región de reacción 34 activa,
el suministro de medio de oxidación 32 y la salida de medio de
oxidación 33 se encuentran fuera de la región de reacción 34
activa. El suministro de medio de oxidación y la salida de medio de
oxidación están sellados por medio de junturas 38 y 39 contra el
medio de refrigeración 13.
La Fig. 4b muestra una disposición
correspondiente en la parte del cátodo. La juntura 37 entre la
unidad de electrodo de membrana y la placa del polo limita una
región de reacción 35 activa. El suministro del medio de oxidación
32 y la salida del medio de oxidación 33 se encuentran en el
interior de una región de reacción 35 activa. Las regiones de la
esquina dispuestas opuestas entre ellas de la unidad de electrodos
de membrana para el suministro de gas de combustión 30 con la
selladura 40 y la salida del gas de combustión 31 con selladura 41
se encuentran en el exterior de la juntura 37.
Las regiones de esquina que se encuentran en el
exterior de la juntura 36 de la unidad de electrodo de membrana, y
las regiones de esquina que se encuentran fuera de la juntura 37 de
la unidad de electrodo de membrana no se solapan entre ellas. Por
medio de esta disposición se garantiza un suministro y una salida de
los gases de reacción sin cortes a las regiones de reacción activas
de la pila de combustible individual sin contacto con el medio de
refrigeración, pasando medio de refrigeración, sin embargo, por los
suministros y las salidas.
La construcción conforme a la invención hace un
posible el uso de medios líquidos que no son eléctricamente
conductores, sólo débilmente, o que son fuertemente conductores
eléctricamente para la refrigeración, ya que se da una separación
total y un encapsulado del medio de refrigeración de la zona de la
membrana activa, y en caso de necesidad - en particular en el caso
de medios líquidos fuertemente conductores o agresivos - tanto las
pilas de combustible individuales como el montón de pilas de
combustible se puede proveer de una capa aislante no conductora o
con una capa de protección resistente contra el medio agresivo.
A partir de esto se extraen una serie de
ventajas:
El montón de pilas de combustible se puede
operar ella misma con medios de refrigeración de un tipo tal que en
contacto directo con la membrana, la capa del catalizador, la capa
de difusión de gas, el sistema de junturas y/o las placas de polo,
pueden llevar a producir daños en los mismos (por ejemplo, aceites,
agua de refrigeración enriquecida con iones ajenos (Cu^{2+},
NI^{2+}) que provienen de instalaciones de intercambio de calor,
agua de refrigeración con anticongelante, alcoholes).
\newpage
El sistema de pilas de combustible se puede
realizar por medio de una selección adecuada del medio de
refrigeración "a prueba de invierno", es decir, por ejemplo,
por medio de la adición de aditivos anticongelantes en el medio de
refrigeración se puede evitar una congelación de las pilas de
combustible en un intervalo de temperatura negativo amplio.
Independientemente de esto, la construcción
conforme a la invención, al menos cuando presenta una cubierta de
refrigeración, también es importante desde el punto de vista de los
aspectos de seguridad cuando se usan medios de refrigeración
convencionales, ya que el sistema de pilas de combustible es seguro
de por sí respecto a la salida de gas de combustión, ya que éste,
en el caso de una fuga, es absorbido completamente por el medio de
refrigeración, y no se puede escapar al entorno.
Cabe reseñar también la construcción muy
sencilla, desde el punto de vista técnico, del sistema, y los
ahorros de peso que se pueden conseguir, en particular al usar un
espacio de distribución/espacio colector de medio de refrigeración
combinado.
Finalmente se llama la atención sobre los
siguientes aspectos importantes para la invención:
El eje longitudinal del montón de pilas de
combustible puede ser perpendicular (como en los ejemplos de
realización dibujados), horizontal o también oblicuo. El medio de
refrigeración es, preferentemente, un medio de refrigeración
líquido.
Claims (26)
1. Sistema de pilas de combustible (1) con un
gran número de pilas de combustible de membrana de electrolito de
polímero (2), que están dispuestas una sobre otra en forma de un
montón (3), caracterizado porque
- -
- entre pilas de combustible (2) individuales contiguas entre ellas del montón (3), está previsto, respectivamente, un espacio intermedio (10) para el alojamiento de un medio de refrigeración (13),
- -
- en al menos una superficie lateral (23) del montón (3) está dispuesto al menos un espacio de distribución (15) del medio de refrigeración a modo de cámara con al menos una abertura de entrada (16) del medio de refrigeración,
- -
- en al menos una superficie lateral (23, 23') del montón (3) está dispuesto al menos un espacio colector (18) del medio de refrigeración a modo de cámara con al menos una abertura de salida (19) del medio de refrigeración,
- -
- en las superficies laterales (24) del montón (3) en las que no está dispuesto ni un espacio de distribución (15) del medio de refrigeración ni un espacio colector (18) de medio de refrigeración, entre las pilas de combustible (2) individuales contiguas, en sus regiones exteriores del borde está previsto, respectivamente, un medio de sellado (25), de manera que el al menos un espacio de distribución (15) del medio de refrigeración, los espacios intermedios (10) entre pilas de combustible individuales contiguas entre ellas y el al menos un espacio colector (18) del medio de refrigeración conformen un espacio a través del cual pueda fluir un medio de refrigeración (13).
2. Sistema de pilas de combustible (1) con un
gran número de pilas de combustible de membrana de electrolito de
polímero (2), que están dispuestas una sobre otra en forma de un
montón (3), caracterizado porque
- -
- las pilas de combustible individuales (2) contiguas entre ellas están limitadas por placas (7) bipolares, que presentan pasos (12) para la absorción de un medio de refrigeración (13),
- -
- en al menos una superficie lateral (23) del montón (3) está dispuesto al menos un espacio de distribución (15) del medio de refrigeración a modo de cámara con al menos una abertura de entrada (16) del medio de refrigeración,
- -
- en al menos una superficie lateral (23, 23') del montón (3) está dispuesto al menos un espacio colector (18) del medio de refrigeración a modo de cámara con al menos una abertura de salida (19) del medio de refrigeración,
- -
- el al menos un espacio de distribución (15) del medio de refrigeración, los pasos (12) en las placas bipolares (7), y el al menos un espacio colector (18) del medio de refrigeración conforman un espacio a través del cual puede fluir un medio de refrigeración (13).
3. Sistema de pilas de combustible (1) según la
reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el al menos un
espacio de distribución (15) del medio de refrigeración y el al
menos un espacio colector (18) del medio de refrigeración, están
dispuestos en dos superficies laterales (23, 23') del montón (3)
opuestas entre sí.
4. Sistema de pilas de combustible (1) según la
reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el al menos un
espacio de distribución (15) del medio de refrigeración y el al
menos un espacio colector (18) del medio de refrigeración están
dispuestos en la misma superficie lateral (23) del montón (3).
5. Sistema de pilas de combustible (1) según una
de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el al
menos un espacio de distribución (15) del medio de refrigeración
presenta varias aberturas de entrada (16) del medio de
refrigeración y/o el al menos un espacio colector (18) del medio de
refrigeración, presenta varias aberturas de salida (19) del medio
de refrigeración.
6. Sistema de pilas de combustible (1) según l
una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque están
previstos varios espacios de distribución (15) del medio de
refrigeración que están dispuestos en la misma superficie lateral
(23) o en diferentes superficies laterales (23, 23') del montón (3)
y/o están previstos varios espacios colectores (18) del medio de
refrigeración que están dispuestos en la misma superficie lateral
(23) o en diferentes superficies laterales (23, 23') del montón
(3).
7. Sistema de pilas de combustible (1) según una
de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque en al
menos un espacio de distribución (15) del medio de refrigeración
está dispuesta una estructura de distribución (17)del medio
de refrigeración.
8. Sistema de pilas de combustible (1) según una
de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque las pilas
de combustible individuales (2) están equipadas cada una de ellas
con al menos un suministro de gas de combustión (30) y/o al menos
una salida de gas de combustión (31) y/o al menos un suministro de
medio de oxidación (32) y/o al menos una salida de medio de
oxidación (33), que están dispuestas en el interior del espacio a
través del cual fluye el medio de refrigeración (13).
9. Sistema de pilas de combustible (1) según una
de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque en los
extremos del montón (3) están dispuestos colectores de corriente
(21) de tal manera que entre un colector de corriente (21) y la
pila de combustible individual (2) contigua hay un espacio
intermedio (10) para el alojamiento de un medio de refrigeración
(13).
10. Sistema de pilas de combustible (1) según
una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque entre
el espacio de distribución (15) del medio de refrigeración y al
menos una superficie lateral (23, 24) del montón (3), y entre el
espacio colector (18) del medio de refrigeración y al menos una
superficie lateral (23, 24) del montón (3) están previstas
selladuras (26).
11. Sistema de pilas de combustible (1) según
una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque el
montón (3) está limitada por placas terminales (22), y están
previstos medios de sellado (27) entre las placas terminales y las
paredes del espacio de distribución (15) del medio de refrigeración
y/o las placas terminales (22) y las paredes del espacio colector
(18) del medio de refrigeración.
12. Sistema de pilas de combustible (1) según
una de las reivindicaciones 1 ó 3 a 11, caracterizado porque
en al menos una parte de los espacios intermedios (10) están
dispuestos distanciadores (11).
13. Sistema de pilas de combustible (1) según la
reivindicación 12, caracterizado porque los distanciadores
(11) conforman recorridos de corriente (14) del medio de
refrigeración.
14. Sistema de pilas de combustible (1) según la
reivindicación 12 ó 13, caracterizado porque los
distanciadores (11) son eléctricamente conductores.
15. Sistema de pilas de combustible (1) según
una de las reivindicaciones 12 a 14, caracterizado porque
todas las superficies exteriores de las pilas de combustible
individuales (2) y los distanciadores (11) están rodeados con
material eléctricamente aislante y/o material protector.
16. Sistema de pilas de combustible (1) según
una de las reivindicaciones 2 ó 5 a 9, caracterizado porque
el al menos un espacio de distribución (15) del medio de
refrigeración y el al menos un espacio colector (18) del medio de
refrigeración, son parte de una envoltura del medio de refrigeración
que rodea completamente el montón (3).
17. Sistema de pilas de combustible (1) según la
reivindicación 16, caracterizado porque la envoltura del
medio de refrigeración presenta superficies laterales de la
envoltura del medio de refrigeración que están dispuestas en
superficies laterales (24, 24') opuestas entre sí del montón (3),
estando previsto entre por lo menos una superficie lateral de la
envoltura del medio de refrigeración y la superficie lateral (24,
24') opuesta del montón (3) un espacio libre para el alojamiento
del medio de refrigeración (13).
18. Procedimiento para la refrigeración de un
sistema de pilas de combustible (1) con un gran número de pilas de
combustible individuales de membrana de electrolito de polímero (2),
que están dispuestas una sobre otra en forma de un montón (3),
caracterizado porque está previsto un espacio a través del
cual puede fluir un medio de refrigeración, que comprende
- -
- espacios intermedios (10) entre pilas de combustible individuales (2) contiguas o pasos (12) en placas (7) bipolares de pilas de combustible individuales contiguas, y
- -
- al menos un espacio de distribución (15) del medio de refrigeración a modo de cámara dispuesto en una superficie lateral (23) del montón (3), y
- -
- al menos un espacio colector (18) del medio de refrigeración a modo de cámara dispuesto en una superficie lateral (23, 23') del montón (3), y
porque se hace fluir un medio de refrigeración
(13) líquido a través del espacio a través del que puede fluir el
medio de refrigeración.
19. Procedimiento según la reivindicación 18,
caracterizado porque se prevén varios espacios de
distribución (15) del medio de refrigeración y/o espacios
colectores (18) del medio de refrigeración para la refrigeración de
diferentes regiones del montón (3), alimentándose en los diferentes
espacios de distribución (15) del medio de refrigeración, en caso
de que se desee, medio de refrigeración (13) de diferentes flujos
volumétricos y/o diferente temperatura.
20. Procedimiento según la reivindicación 18 ó
19, caracterizado porque el medio de refrigeración fluye a
través de los espacios intermedios (10) o de los pasos (12) en una
conexión hidráulica en paralelo.
\newpage
21. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 18 a 20, caracterizado porque el medio de
refrigeración fluye a través de diferentes regiones de un espacio
intermedio (10) o diferentes pasos (12) dentro de una placa (7)
bipolar con diferente velocidad.
22. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 18 a 21, caracterizado porque como medio de
refrigeración se usa un medio líquido que no es eléctricamente
conductor, que lo es débilmente o fuertemente, acuoso o no
acuoso.
23. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 18 a 22, caracterizado porque el medio de
refrigeración calentado que sale del sistema de pilas de
combustible (1) es alimentado directamente a un circuito de
calefacción.
24. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 18 a 23, caracterizado porque la pérdida de
presión entre la entrada del medio de refrigeración (13) en el
montón (3) y la salida del medio de refrigeración (13) del montón
tiene un valor de menos de 50000 Pa, preferentemente menos de 5000
Pa.
25. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 18 a 24, caracterizado porque como medio de
refrigeración (13) se usa un medio de refrigeración no acuoso, de
preferencia eléctricamente aislante, o un medio de refrigeración
que contiene anticongelante.
26. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 18 a 25, caracterizado porque los
suministros (30) y/o las salidas (31) para el gas de combustión y/o
los suministros (32) y/o las salidas (33) para los medios de
oxidación hacia las pilas de combustible individuales (2) se
disponen en el interior del espacio a través del cual puede fluir
un medio de refrigeración (13), y el medio de refrigeración fluye
alrededor de estos suministros y/o salidas.
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