ES2335132T3 - Procedimiento para hacer funcionar celulas de combustible para sistemas que se pueden cargar con calor de manera limitada y pila de celulas de combustible para poner en practica el procedimiento. - Google Patents
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Abstract
Pila de células de combustible para sistemas que se pueden cargar de forma limitada con calor, que está formada rodeada a una distancia de una carcasa (2) y estando formada una rendija anular (10) entre la pila de células de combustible (1) y la carcasa (2), que está conectada con una pieza de entrada de aire (2a), conectada a una fuente de aire, para el suministro de aire de trabajo a la pila de células de combustible (1), y con una capa de aislamiento térmico (9), caracterizada porque la capa de aislamiento térmico (9) reviste la pila de células de combustible (1) y la rendija anular (10) está formada entre la capa de aislamiento térmico (9) y la carcasa (2), porque la pieza de entrada de aire (2a) está conectada tanto a la pila de células de combustible (1) como también al suministro de una pieza de aire adicional excedentaria en la rendija anular (10) y porque la pieza de entrada de aire (2a) está conectada, a través de la rendija anular (10), con una pieza de salida de aire (2b), en la cual entran el aire de cátodo caliente y el aire adicional suministrado a través de la rendija anular (10) y estando dispuesto un refrigerador de aire de escape (7) para la refrigeración del aire de cátodo caliente con el aire adicional.
Description
Procedimiento para hacer funcionar células de
combustible para sistemas que se pueden cargar con calor de manera
limitada y pila de células de combustible para poner en práctica el
procedimiento.
La presente invención se refiere a un
procedimiento para hacer funcionar células de combustible para
sistemas que se pueden cargar de forma limitada con calor con
superficies que se pueden tocar y/o componentes sensibles al calor,
en particular de una pila de células de combustible que se hace
funcionar con aire y combustible. La invención se refiere además a
células de combustible o pilas de células de combustible
dimensionadas para la realización del procedimiento con fuente de
aire dispuesta por el lado del cátodo y fuente de combustible
conectada aguas arriba por el lado del ánodo.
En una célula de combustible reaccionan, en una
combustión controlada, como es sabido un combustible con oxígeno
con la formación de agua. Al mismo tiempo, se genera energía
eléctrica de una manera ventajosa, es decir con un rendimiento alto
y con una emisión de contaminantes pequeña, y se suministra a un
consumidor. Como combustible se utilizan, entre otros, alcohol,
hidrocarburos, hidrógeno, éster o éter. El aprovisionamiento de
oxígeno por el lado del cátodo tiene lugar, por ejemplo, mediante
suministro de aire del entorno, mientras que en el ánodo el
hidrógeno se proporciona o bien directamente o -como por ejemplo en
la célula de combustible de metanol directo mediante suministro de
metanol- indirectamente. La reacción electroquímica en el ánodo
consiste en la célula de combustible de metanol directo en la
transformación de metanol y agua en CO_{2}, H+ y e^{-}. Los
iones de hidrógeno se desplazan por el electrólito hacia el cátodo,
mientras que electrones libres son debidos al conductor eléctrico.
El oxígeno en el cátodo reacciona con los iones de hidrógeno y con
la captación de electrones, de manera que como producto de reacción
se forma agua.
En cada célula de combustible, es necesario
separar de tal manera el ánodo y el cátodo que el combustible
suministrado por el lado del ánodo no llegue al lado del cátodo y
sea oxidado allí, si bien esté garantizado por otro lado el
intercambio de protones. Para ello, se utiliza usualmente una
membrana de electrólito polímero la cual, por ejemplo, consta de un
material conocido bajo el nombre de la marca Nafion® y que está
aplicado en capas sobre el lado del ánodo y el lado del cátodo con
su material de electrodo para la formación del ánodo y del cátodo.
Además, la unidad de electrodo de membrana así formada está ocupada
en ambos lados con un material de catalizador realizado en un metal
noble (platino, rutenio). La unidad de electrodo de membrana está
dispuesta entre dos placas bipolares eléctricamente conductoras
dotadas con estructuras de distribución de fluido las cuales sirven
tanto para el suministro y la retirada de los eductos y los
productos de reacción así como también para el contacto eléctrico y
la derivación de la corriente eléctrica entre el ánodo y el cátodo
hacia los consumidores de corriente del aparato considerado. Para
poder suministrar la energía eléctrica para hacer funcionar el
aparato considerado con el nivel necesario, se reúne un gran número
de células de combustible, descritas con anterioridad, para formar
un apilamiento o pila de células de combustible el cual es mantenido
unido de forma obturada mediante unas placas finales previstas a
ambos lados del apilamiento. Por la expresión célula de combustible
debe entenderse siempre en lo que viene a continuación también una
pila de células de combustible el cual se designa también, por
simplicidad, como pila.
Bajo el aspecto del suministro de energía de
sistemas que se pueden cargar de forma limitada, por ejemplo de
aparatos electrónicos portátiles, las células de combustible
conocidas del tipo descrito anteriormente son desventajosas en la
medida en que para la provisión de la potencia eléctrica necesaria
se necesitan superficies activas (superficies de electrodo)
grandes. A causa de ello, debido al material costoso (Nafion, metal
noble) utilizado para las unidades de membrana de electrodo, son
altos, por un lado, los costes y, además también, las necesidades
de espacio y el peso. Por otro está limitada sin embargo, en
aparatos con superficies que se pueden tocar y en aparatos
electrónicos, la temperatura de funcionamiento de la célula de
combustible, la cual en un margen de temperatura elevado, es decir
entre 30ºC y 110ºC, tiene como consecuencia un aumento de la
densidad de potencia (W/cm^{2}) de la célula de combustible, dado
que la pila, debido a que por regla general es el componente más
caliente de los sistemas de este tipo, no puede superar
generalmente, a causa del posible contacto y de la capacidad de
carga térmica limitada de determinados componentes, una temperatura
superficial de 50ºC. La presente invención de refiere
fundamentalmente a células de combustible con una temperatura de
funcionamiento elevada correspondiente a la alta potencia a que se
aspira, si bien la temperatura exterior admisible de la célula de
combustible está limitada debido a una capacidad de carga térmica
limitada del sistema en el cual se utiliza la célula de
combustible.
La presente invención se plantea el problema de
proponer un procedimiento para hacer funcionar una célula de
combustible y de formar de tal manera una pila de células de
combustible diseñada para llevar a cabo el procedimiento que, para
una potencia eléctrica alta, la carga térmica admisible del entorno
no sea superada y se minimicen el volumen y el peso de la pila y,
en último térmico, los costes de fabricación.
Según la invención, el problema se resuelve con
un procedimiento según las características de la reivindicación 1
así como con una célula de combustible formada según las
características de la reivindicación 9. Otras características y
perfeccionamientos ventajosos de la invención se pondrán de
manifiesto a partir de las reivindicaciones subordinadas.
La idea fundamental de la invención, resultante
de las reivindicaciones 1 y 9, consiste, dicho con otras palabras,
en que la célula de combustible se hace funcionar con una
temperatura de trabajo -óptima- para la consecución de la potencia
deseada, preferentemente comprendida entre 60 y 110ºC, pero aislada
térmicamente hacia el exterior y en que el calor, que se genera
como consecuencia de la elevada temperatura de trabajo y del
aislamiento térmico, es retirado con la ayuda de una parte,
derivada del aire de reacción suministrado, del aire caliente del
cátodo. Con una célula de combustible de este tipo o que se hace
funcionar de esta manera se puede conseguir un aumento claro de la
potencia, sin que sea superada la temperatura exterior máxima
admisible de la célula de combustible o el sistema alimentado por
ésta se vea sobrecargado térmicamente. Sorprendentemente se
estableció además que con una célula de combustible que se hace
funcionar y está estructurada de acuerdo con este procedimiento,
con los sistemas conocidos, para la misma irradiación de calor y
potencia se puede partir de una reducción del peso y del volumen de
la pila así como de los costes de material de aproximadamente el
75%. Esto significa, dicho con otras palabras, que para un peso, un
volumen y unos costes que permanecen iguales, así como para un
calentamiento o emisión de calor todavía admisible en comparación
con las soluciones conocidas hasta ahora, se pueden alcanzar
potencias notablemente
mayores.
mayores.
Como perfeccionamiento de la invención el
aislamiento térmico tiene lugar con una capa aislante de vacío que
reviste la pila de células de combustible. Además, la pila está
rodeada por una carcasa, a la cual se suministra por un lado -como
parte excedente del aire de trabajo aire de refrigeración el cual es
conducido, en una rendija anular situada entre la carcasa y el
aislamiento de vacío al lado opuesto de la carcasa. Gracias a ello
se retira de la célula de combustible, la carcasa y una parte del
calor, condicionado por la elevada temperatura de trabajo y el
aislamiento térmico así como, adicionalmente, también el aire de
cátodo húmedo y caliente. Para la obtención de las temperaturas de
trabajo altas, que deben alcanzarse en un tiempo corto, en especial
en la fase de puesta en marcha de la célula de combustible, se
calienta previamente el combustible suministrado, por el lado del
ánodo, en la alimentación mediante el intercambio de calor con los
productos de reacción calientes retirados en el retorno.
En otra estructuración de la invención se
utiliza, para el intercambio de calor entre la alimentación y el
retorno, un material acumulador de calor latente, cuya temperatura
de fusión está situada ligeramente por debajo de la temperatura de
trabajo correspondiente de la célula de combustible. El acumulador
de calor latente puede estar integrado también en la pila de
células de combustible.
Un ejemplo de forma de realización de la
invención se explica con mayor detalle sobre la base del dibujo, en
cuya única figura está representado un esquema del procedimiento
para el funcionamiento de una célula de combustible de metanol
directo estructurada según la invención.
La pila de células de combustible de metanol
directo 1 comprende un gran número de unidades de electrodo de
membrana y placas bipolares dispuestas alternadas, las cuales están
sujetas comprimidas entre placas finales (no representada en cada
caso). La pila está rodeada por una carcasa 2, la cual presenta en
su pieza de entrada de aire 2a una abertura de aire adicional 3 con
ventilador 4 conectado aguas arriba para el suministro de aire
fresco al lado del cátodo de las células de combustible individuales
y en la pieza de salida de aire 2b, situada en el lado opuesto, una
abertura de aire de escape 5 para la retirada de aire de cátodo
húmedo, caliente. En la pieza de entrada de aire 2a de la carcasa 2
está conectado aguas arriba a la pila de células de combustible 1
un distribuidor de aire 6, realizado en un material sinterizado o
material no tejido en forma de placas, para el suministro de aire
distribuido de manera uniforme hacia el lado del cátodo de las
células de combustible individuales. En el lado de salida de aire
opuesto de la pila de células de combustible 1 está dispuesto,
dentro de la pieza de salida de aire 2b de la carcasa 2, un
refrigerador de aire de escape 7 -en este caso en forma de placa-
para la refrigeración y deshumidificación del aire de cátodo húmero
y caliente que sale de la pila de células de combustible 1. En la
pieza de salida de aire 2b está prevista, además, una abertura de
salida de agua de condensación 8. La pila de células de combustible
1 está rodeada, por el perímetro exterior, con una capa de
aislamiento térmico 9, la cual está realizada en un material
aislante de vacío con una acción aislante elevada y un grosor de
capa correspondientemente pequeño. La carcasa 2 rodea la pila de
células de combustible 1 en el perímetro a una distancia pequeña con
respecto a la capa de aislamiento térmico 9, de manera que entre
ésta y la superficie perimétrica interior de la carcasa 2, está
formada una rendija anular 10 estrecha, la cual conecta la pieza de
entrada de aire 2a de la carcasa 2 con su pieza de salida de aire
2b.
El suministro de combustible al lado del ánodo
de las células de combustible tiene lugar desde un recipiente de
combustible-agua 11, el cual es cargado desde un
tanque de combustible 12 - lleno de metanol. La mezcla de
metanol-agua es conducida a través de una tubería de
alimentación 13 y un intercambiador de calor 14 -que funciona en
este caso sobre la base de un material acumulador calor latente
realizado en parafina- a la pila de células de combustible 1,
mientras que la solución de metanol empobrecida es conducida, a
través de una conducción de retorno 15, a la cual están conectados
el intercambiador de calor 14 y el refrigerador de retorno 16, de
vuelta al recipiente de combustible-agua 11. En la
tubería de alimentación 13 se encuentra un sensor de combustible
17, el cual está conectado con un control 18 para el suministro de
combustible. En el recipiente de combustible-agua
11 se encuentra una válvula de salida de gas 19 para la retirada del
CO_{2} formado durante el proceso de las células de combustible.
Además, el recipiente de combustible-agua 11 está
conectado a través de la tubería 20 con la abertura de salida de
agua de condensación 8.
En el presente ejemplo de forma de realización,
la pila de células de combustible 1 se hace funcionar, para la
consecución de una densidad de potencia elevada, con una temperatura
de 90ºC. Con la ayuda del intercambiador de calor 14 en la tubería
de alimentación 13 se caliente previamente la mezcla de
metanol-agua suministrada a la pila de células de
combustible 1. El material acumulador del intercambiador de calor
formado como acumulador de calor latente tiene un punto de fusión
que está ligeramente por debajo de la temperatura de funcionamiento
de la pila de células de combustible. En particular, durante la
puesta en marcha de la pila de células de combustible 1 garantiza,
el calentamiento del combustible posible con el material acumulador
de calor latente, que se alcance rápidamente la temperatura de
funcionamiento y con ello un inicio rápido del proceso de generación
de corriente. Con la ayuda del ventilador 4 se introduce aire en la
pieza de entrada de aire 2a y se conduce, a través del distribuidor
de aire 6, hacia el cátodo de las células de combustible de la pila
de células de combustible 1. Una gran parte del aire suministrado
es conducida, sin embargo, para la refrigeración de los en la
rendija anular 10 en la pieza de salida de aire 2b de la carcasa 2,
para refrigerar el aire de cátodo correspondientemente caliente,
como consecuencia de la elevada temperatura de funcionamiento, que
sale de la pila de células de combustible 1. El aire de cátodo
húmedo y caliente sale del refrigerador de aire de escape 7,
refrigerado con aire de refrigeración, y es refrigerado. El agua
extraída por condensación al mismo tiempo en el refrigerador de
aire de escape 7 llega, a través de la abertura de salida de agua de
condensación 8 y la tubería 20, al recipiente de
combustible-agua 11. En particular, la capa aislante
térmica 9, prevista en el perímetro de la pila de células de
combustible 1, limita la temperatura superficial que cabe esperar a
causa de la elevada temperatura de funcionamiento y el calor
irradiado a un valor admisible para componente con superficie que
se pueden tocar y elementos electrónicos. El aire conducido a través
de la rendija anular 10 da lugar a una refrigeración adicional. La
solución de metano empobrecida que sale con la temperatura de
funcionamiento elevada es conducida a través del intercambiador de
calor 14 y, a continuación, a través del refrigerador de retorno 16
y es refrigerada, al mismo tiempo, a una temperatura inferior a 50ºC
y llega, después, al recipiente de combustible-
agua 11.
agua 11.
Gracias a la temperatura de funcionamiento alta
(de 90ºC en el presente ejemplo de forma de realización), posible
con la pila descrito con anterioridad, se puede aumentar
notablemente la densidad de potencia (W/cm^{2}) de la célula de
combustible o la superficie activa y reducir con ello el volumen y
el peso de la pila con respecto a una pila con la misma potencia,
que se haga funcionar a una temperatura más baja, que no esté
aislado y que no esté refrigerado. En el caso de la pila descrita
anteriormente con una potencia de 50 W, una temperatura de trabajo
de 90ºC y una temperatura superficial que no supera los 50ºC, debido
al aislamiento y la refrigeración según la invención, se puede
reducir, en comparación con una pila conocida con la misma potencia
y temperatura superficial, la superficie activa y con ello la
necesidad de metal noble o de Nafion en aproximadamente el 75% y el
volumen en aproximadamente
el 60%.
el 60%.
- 1
- Pila de células de combustible
- 2
- carcasa
- 2a
- pieza de entrada de aire
- 2b
- pieza de salida de aire
- 3
- abertura de aire adicional
- 4
- ventilador
- 5
- abertura de aire de escape
- 6
- distribuidor de aire
- 7
- refrigerador de aire de escape
- 8
- abertura de salida de agua de condensación
- 9
- capa de aislamiento térmico
- 10
- rendija anular
- 11
- recipiente de combustible-agua
- 12
- tanque de combustible
- 13
- tubería de alimentación
- 14
- intercambiador de calor (acumulador de calor latente)
- 15
- conducción de retorno
- 16
- refrigerador de retorno
- 17
- sensor de combustible
- 18
- control
- 19
- válvula de salida de gas
- 20
- tubería
Claims (19)
1. Pila de células de combustible para sistemas
que se pueden cargar de forma limitada con calor, que está formada
rodeada a una distancia de una carcasa (2) y estando formada una
rendija anular (10) entre la pila de células de combustible (1) y
la carcasa (2), que está conectada con una pieza de entrada de aire
(2a), conectada a una fuente de aire, para el suministro de aire de
trabajo a la pila de células de combustible (1), y con una capa de
aislamiento térmico (9), caracterizada porque la capa de
aislamiento térmico (9) reviste la pila de células de combustible
(1) y la rendija anular (10) está formada entre la capa de
aislamiento térmico (9) y la carcasa (2), porque la pieza de
entrada de aire (2a) está conectada tanto a la pila de células de
combustible (1) como también al suministro de una pieza de aire
adicional excedentaria en la rendija anular (10) y porque la pieza
de entrada de aire (2a) está conectada, a través de la rendija
anular (10), con una pieza de salida de aire (2b), en la cual
entran el aire de cátodo caliente y el aire adicional suministrado
a través de la rendija anular (10) y estando dispuesto un
refrigerador de aire de escape (7) para la refrigeración del aire
de cátodo caliente con el aire adicional.
2. Pila según la reivindicación 1,
caracterizada porque la capa de aislamiento térmico (9)
consta de un material aislante de vacío.
3. Pila según la reivindicación 1,
caracterizada porque en la pieza de entrada de aire (2a) está
dispuesto un distribuidor de aire (6) para el suministro de aire
distribuido de manera uniforme a la pila de células de combustible
(1) y para la continuación de la conducción de una gran parte del
aire adicional, que sirve para la refrigeración, a través de la
rendija anular (10) hacia el refrigerador de aire de escape (7).
4. Pila según la reivindicación 3,
caracterizada porque el distribuidor de aire (6) es una placa
conectada aguas arriba a la pila realizada en un material
sinterizado o no tejido.
5. Pila según la reivindicación 1,
caracterizada porque el refrigerador de aire de escape (7) es
un cuerpo en forma de placa, el cual es cargado por un lado con
aire de cátodo húmedo, caliente, y por el lado opuesto con aire de
refrigeración suministrado.
6. Pila según la reivindicación 1,
caracterizada porque en la pieza de salida de aire (2b) está
prevista una abertura de salida de agua de condensación (8) para la
evacuación de agua extraída por condensación en el refrigerador de
aire de escape a partir del aire de cátodo húmedo, caliente.
7. Pila según la reivindicación 1,
caracterizada porque la fuente de combustible asignada a la
misma es un tanque de combustible (12) con un recipiente de
combustible-agua (11) conectado aguas abajo, estando
integrado en la alimentación y el retorno hacia el precalentamiento
de combustible suministrado y hacia la refrigeración de los
productos de reacción reconducidos un intercambiador de calor (14)
en el recipiente de combustible-agua (11).
8. Pila según la reivindicación 7,
caracterizada porque el intercambiador de calor (14) está
formado como acumulador de calor latente, cuyo material acumulador
de calor latente tiene un punto de fusión situado ligeramente por
debajo de la temperatura de trabajo de la pila.
9. Pila según la reivindicación 8,
caracterizada porque el acumulador de calor latente está
integrado en la pila.
10. Pila según la reivindicación 8,
caracterizada porque en el retorno entre la pila y el
recipiente de combustible-agua (11) está integrado
un refrigerador de retorno (16) para la refrigeración posterior de
los productos de reacción conducido al recipiente de
combustible-agua (11) hasta una temperatura situada
por debajo de 50ºC.
11. Pila según la reivindicación 6,
caracterizada porque la abertura de salida de agua de
condensación (8) está conectada, a través de una tubería, con el
recipiente de combustible-agua (11).
12. Procedimiento para hacer funcionar una pila
de células de combustible según las características de la
reivindicación 1, en particular de una pila de células de
combustible que se hace funcionar con aire y combustible, aislada
térmicamente hacia el exterior, refrigerada en una rendija anular en
la carcasa, con una temperatura de trabajo que se forma en
correspondencia con la potencia deseada, caracterizada porque
la cantidad de calor que se produce debido a las temperaturas de
trabajo es retirada con el aire de cátodo caliente a través aire
adicional excedente suministrado a través de la rendija anular, que
excede las necesidades de aire de la célula de combustible.
13. Procedimiento según la reivindicación 12,
caracterizado porque la temperatura de trabajo está
comprendida entre 60ºC y 110ºC.
14. Procedimiento según la reivindicación 12,
caracterizado porque la temperatura de trabajo está
comprendida entre 65ºC y 90ºC.
15. Procedimiento según la reivindicación 12,
caracterizado porque la temperatura de trabajo está
comprendida entre 70ºC y 80ºC.
16. Procedimiento según la reivindicación 12,
caracterizado porque con una parte mayoritaria del aire
suministrado es refrigerado el aire de cátodo, caliente y húmedo,
directamente mediante mezcla o indirectamente mediante un
refrigerador de aire de escape y se extrae al mismo tiempo, por
condensación, una porción de agua.
17. Procedimiento según la reivindicación 16,
caracterizado porque el agua de condensación es recogida y es
reconducida al proceso.
18. Procedimiento según la reivindicación 12,
caracterizado porque el combustible, suministrado por el lado
del ánodo, es una mezcla de metanol-agua, siendo
precalentado el combustible mediante intercambio de calor y siendo
refrigerados los productos de reacción que salen por el lado del
ánodo.
19. Procedimiento según la reivindicación 18,
caracterizado porque el intercambio de calor tiene lugar a
través de un material acumulador de calor latente, cuyo punto de
fusión está situado ligeramente por debajo de la temperatura de
trabajo de la pila de células de combustible.
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