ES2342674T3 - Celula de combustible de prueba para la caracterizacion y calificacion de componentes de celula de combustible internos en la celula. - Google Patents

Abstract

Célula de combustible de prueba para la caracterización y la calificación de componentes de célula de combustible internos de una célula de combustible, consistente en una carcasa de alojamiento con dos placas de carcasa, una unidad de cilindro de pistón, y los componentes de célula de combustible (2, 3, 4) internos de la célula de combustible, donde - los componentes de célula de combustible (2, 3, 4) internos de la célula están dispuestos entre las dos placas de carcasa y - las dos placas de carcasa están estanqueizadas hacia el exterior y están tensadas entre sí, caracterizada por el hecho de que una de las dos placas de carcasa está acoplada con la unidad de cilindro de pistón que atraviesa con su pistón la placa de carcasa y presuriza una pieza de compresión (6) que aplica a su vez una presión sobre los componentes internos de la célula.

Description

Célula de combustible de prueba activa para la caracterización y calificación de componentes de célula de combustible internos en la célula.

\global\parskip0.950000\baselineskip

Una célula de combustible de una membrana de electrolito de polímero PEMFC transforma un portador de energía químico (hidrógeno PEFC o metanol DMFC) directamente en energía eléctrica. Los segmentos de núcleo de una PEMFC están sujetos a un desarrollo ulterior continuo. Tanto el electrolito de polímero como también los electrodos con sus catalizadores están sujetos a altas exigencias de material. No obstante, la PEMFC próximamente será introducida ampliamente en el mercado.

La estructura principal de una PEMFC se divide a su vez en dos sectores:

1.

Electroquímica: Componentes internos de la célula que describen la célula de combustible en el sentido propio. A ellos pertenecen sobre todo:

-

la membrana de electrolito de polímero PEM (electrolito fijo en forma de láminas)

-

electrodos activos, incluidos los catalizadores de metal noble (capa trifásica; en combinación con PEM resulta el conjunto de electrodos de membrana \rightarrow engL MEA Membrane Electrode Assembly)

-

microcapa (capa de transición del electrodo a la capa de difusión de gas)

-

capas de difusión de gas GDL (repartición de gas a veces combinado con microcapas, protección PEM)

-

campos de flujo (alimentación o evacuación de gas, conector de corriente; eventualmente con capa refrescante)

2.

Hardware: Placas finales, conexiones de medios, pernos expansibles \rightarrow predominantemente conjuntos mecánicos y componentes.

Las células de combustible de prueba para la caracterización de componentes internos de la célula para células de combustible están estructuradas muy sencillas. Los componentes internos de la célula son tensados con ayuda de placas finales mecánicamente rígidas y mediante pernos roscados con ayuda de juntas planas. Los componentes internos de la célula (MEA, GDL y sin microcapas, campos de flujo) son apilados los unos encima de los otros en la sucesión correcta con la correspondiente técnica de estanqueidad (juntas planas, juntas tóricas) y son ensamblados con el hardware a una célula de combustible de prueba.

La presión de apriete sobre la superficie de célula activa de MEA (la zona en la que se desenvuelven las reacciones electroquímicas) en estas células de combustible de prueba depende del concierto de los respectivos espesores de capa de las juntas, de las capas de difusión de gases GDL y de MEA. A continuación se aplica una presión mecánica sobre la superficie de célula activa mediante el par de apriete de los pernos expansibles, la cual garantiza por un lado la estanqueidad correspondiente y por otra parte minimiza en gran parte las resistencias de contacto o de transición de la estructura interna de células. Cuanto mayor sea la presión de apriete interna de la célula, más baja es la correspondiente resistencia interna de la célula.

Una declaración directa sobre la presión de apriete interna de la célula depende por lo tanto de

-

la selección del espesor de la capa GDL

-

del espesor de la capa de la estructura de la junta utilizada

-

y de las pérdidas del coeficiente de fricción del tensado mecánico.

Desventajas del concepto antiguo

1.

Sin un cambio de las juntas o GDLs la presión de apriete sobre los componentes internos de la célula sólo es variable en una zona pequeña. Si la presión de apriete debe ser modificada (en una estructura de célula interna dada) sobre una zona definida, se abre la célula de prueba y por utilización de otras juntas planas se permite un ajuste de la presión de apriete interna de células. Esta sin embargo se presenta solamente de manera aritmética/teórica! El valor real permanece desconocido.

2.

El hinchamiento de la membrana (contacto con agua del producto) provoca unas fuerzas de compresión adicionales. Estas no son compensadas por la estructura rígida.

3.

No existe posibilidad alguna de una declaración cuantitativa sobre la presión de apriete sobre los componentes internos de célula en la célula de combustible de prueba. La presión de apriete sobre la superficie activa de MEA [N/mm^{2}] no se puede determinar en esta célula sin gastos suplementarios. Aquel sin embargo es un factor muy importante para la reproducibilidad de los resultados de medición.

\global\parskip1.000000\baselineskip

4.

Un cambio rápido de componentes internos de la célula sólo es posible con mucha precaución; el procedimiento está bastante afectado por errores y la reproducibilidad no está dada.

5.

La resistencia interior de la célula solamente puede ser determinada con un aparato externo suplementario.

6.

Para las medidas de una garantía de calidad no es adecuado el concepto.

Propuesta nueva

Para la caracterización y la calificación de componentes internos de la célula ha sido desarrollada una célula de combustible de prueba activa que permite averiguar

-

con bajo coste de montaje,

-

poco afectado por errores,

-

y con alta reproducibilidad de los resultados de medición

las declaraciones técnicas sobre los componentes internos de célula a probar.

Con ayuda de una presurización neumática puede ser ajustada la presión de apriete de la superficie celular activa independientemente de las magnitudes de perturbación geométricas. Un pistón neumático carga en este caso directamente la superficie de célula activa sobre la pieza de compresión. Una estructura de fácil montaje permite simultáneamente un montaje muy rápido y sin errores de los componentes internos de la célula. Una alta reproducibilidad de los resultados de medición está dada con ello. Los campos de flujo de inserción (placas monopolares, materiales de relleno) de titanio permiten para ello una variación de la repartición de gas y el uso de la célula de combustible de prueba tanto para hidrógeno como también para metanol. El tamaño de la superficie de célula activa es determinable de 5 a 100 cm^{2} según el dimensionado de la célula de combustible de prueba. El concepto de estanqueidad a emplear está determinado en el lado presurizado con juntas O (juntas tóricas) como estanqueidad del cilindro de pistón. El pistón estanco al gas tiene un recorrido de más de 2 mm. Esto garantiza una variación casi ilimitada del espesor total de la estructura interna de la célula. Para el cambio de la estructura interna de la célula total puede ser eliminado todo el bloque de montaje en una pieza de la sujeción. Por ello está muy simplificado un intercambio seguro de componentes internos de células.

Adicionalmente la célula de combustible de prueba está provista aún de una unidad de evaluación y una unidad de control ASE. Un regulador de presión de gas fino automático proporciona la presión previa deseada del cilindro en el servicio de prueba. El nivel de presión no sólo puede ser prefijado, sino también ser medido y a continuación ser indicado gráficamente en la unidad de evaluación. El ASE proporciona a los elementos de calentamiento de la célula de combustible de prueba la correspondiente tensión de temperatura y es capaz de averiguar parámetros para la calificación de los componentes internos de la célula de combustible. En resumen, el ASE cumple las siguientes funciones:

-

panel de mando para la calibración y el campo de visualización para datos de medición

-

dispositivo para la medición de la impedancia para la detección de la resistencia de la membrana, la conductividad de la membrana y la resistencia total interna de la célula

-

regulación de la temperatura y control

-

ajuste de las corrientes volumétricas de gas y controladores de flujo de masa MFC

-

medición y detección de la permeación de oxígeno de la membrana (criterio de calidad)

-

acoplamiento del ASE sobre la interfaz de datos con aparatos ajenos

Este conjunto de aparatos puede ser empleado tanto en la investigación y en el desarrollo de FuE, como también en la calificación dentro del marco de las medidas de garantía de calidad o de la prueba de entrada de mercancías de aquellos componentes. Clientes posibles serían por consiguiente los equipos de investigación, universidades, fabricantes de componentes de células de combustible y fabricantes de células de combustible PEM.

Se reivindica la protección de un conjunto de aparatos según la reivindicación 1 para la caracterización de componentes internos de las células de combustible. Este se caracteriza por la presurización regulable sobre la superficie activa de la célula de combustible. (Una variación del espesor de las capas internas de la célula es por ello independiente de la estructura elegida y no tiene influencia alguna sobre las mediciones). El conjunto de aparatos permite adicionalmente una detección autónoma de magnitudes eléctricas y físicas.

Lista de referencias

1

Fuerza F

2

Placa monopolar presurizada con una fuerza de compresión

3

Unidad de membrana-electrones

4

Placa monopolar fija

5

Marco

6

Pieza de compresión

Claims (3)

1. Célula de combustible de prueba para la caracterización y la calificación de componentes de célula de combustible internos de una célula de combustible, consistente en una carcasa de alojamiento con dos placas de carcasa, una unidad de cilindro de pistón, y los componentes de célula de combustible (2, 3, 4) internos de la célula de combustible, donde

-

los componentes de célula de combustible (2, 3, 4) internos de la célula están dispuestos entre las dos placas de carcasa y

-

las dos placas de carcasa están estanqueizadas hacia el exterior y están tensadas entre sí, caracterizada por el hecho de que una de las dos placas de carcasa está acoplada con la unidad de cilindro de pistón que atraviesa con su pistón la placa de carcasa y presuriza una pieza de compresión (6) que aplica a su vez una presión sobre los componentes internos de la célula.

2. Célula de combustible de prueba según la reivindicación 1, caracterizada por el hecho de que la pieza de compresión (6) aplica una presión sobre la superficie de célula activa de los componentes de célula de combustible (2, 3, 4) internos de la célula.

3. Célula de combustible de prueba según la reivindicación 2, caracterizada por el hecho de que la superficie de célula activa de los componentes de célula de combustible (2, 3, 4) internos de la célula está tensada entre una placa monopolar (4) fija y una placa monopolar (2) presurizada por la unidad de cilindro de pistón.