ES2354200T3 - Pila de combustible que incluye un dispositivo de refrigeración por gas caloportador. - Google Patents
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Abstract
Pila de combustible que incluye una pluralidad de células adyacentes que forman un apilamiento (1) de células, y un dispositivo de refrigeración de dicho apilamiento (1) de células por intercambio térmico forzado con un gas caloportador, tal como el aire, por medio de al menos un generador (2) de un flujo gaseoso según un eje (A) de fluencia, incluyendo la pila al menos un órgano rectificador (3) de flujo gaseoso colocado entre el apilamiento (1) de células y el generador (2), incluyendo el órgano rectificador (3) al menos una pala (13) estática ajustada para disminuir la heterogeneidad del caudal del flujo gaseoso resultante del generador (2) según una dirección sensiblemente perpendicular al eje (A) del flujo antes de su llegada al apilamiento (1), caracterizada porque el generador (2) de flujo gaseoso es una hélice soplante que incluye al menos una pala giratoria (12) unida a un cubo (22) giratorio, y porque la o las palas (13) estáticas del rectificador (3) están curvadas para reconducir una parte del flujo situada de manera relativamente alejada del eje (A) del flujo que pasa por el cubo (22) giratorio hacia una zona del flujo situada relativamente más próxima al eje (A) del flujo que pasa por el cubo (22) giratorio, y porque el órgano rectificador (3) de flujo incluye una pluralidad de palas (13) estáticas curvadas de manera simétrica alrededor de un eje de revolución sensiblemente confundido con el eje (A) del flujo gaseoso de refrigeración que pasa por la parte central del generador (2).
Description
Pila de combustible que incluye un dispositivo
de refrigeración por gas caloportador.
La presente invención se refiere a una pila de
combustible que incluye un dispositivo de refrigeración por gas
caloportador.
La invención se refiere más concretamente a una
pila de combustible que incluye una pluralidad de células
adyacentes, que forman un apilamiento de células, y un dispositivo
de refrigeración de dicho apilamiento de células por intercambio
térmico forzado con un gas caloportador, como el aire, por medio de
al menos un generador de un flujo gaseoso según un eje de
fluencia.
Es sabido que para enfriar los apilamientos
("stacks") de células que forman una pila de combustible se
utiliza aire pulsado que se hace circular entre las placas de pila
monopolares o las placas de pila bipolares que forman las células
elementales de la pila.
En una geometría conocida, las caras exteriores
de las placas monopolares o bipolares de pila de combustible
incluyen unas aletas de refrigeración. Las aletas de refrigeración
de dos placas de dos células adyacentes cooperan al estar en
contacto con el fin de formar canales de conducción para el aire
pulsado de refrigeración. El flujo de aire pulsado es
preferentemente prácticamente paralelo a los canales de
refrigeración.
Se ha constatado que la refrigeración del
apilamiento de células no es plenamente satisfactoria debido
especialmente a las diferencias en términos de temperatura máxima
alcanzada en el interior de células adyacentes de un mismo
apilamiento. La solicitante ha constatado particularmente una gran
heterogeneidad de refrigeración según las zonas del apilamiento de
células.
Esto se traduce en mermas en las prestaciones de
la pila.
Para atenuar esas diferencias, una solución
conocida consiste en redefinir la geometría de las aletas que
forman los canales de refrigeración. Esta solución se muestra sin
embargo compleja y potencialmente costosa.
El documento
EP-A-1515383 describe un sistema de
pila de combustible que incluye una hélice soplante y un
distribuidor ubicado entre la hélice y la pila. El distribuidor
cambia la dirección principal del flujo de aire desde la hélice
hacia la pila y homogeneiza también ese flujo de aire.
El documento JP 2003036878 describe una pila de
combustible que incluye un ventilador radial y un colector de aire,
que incluye unas aletas que forman una rejilla para homogeneizar el
flujo de aire.
El documento JP 58178964 describe una pila de
combustible que incluye un ventilador radial y dos conjuntos de
placas de conducción del flujo de aire para homogeneizar el flujo de
aire.
La solución que consiste en actuar sobre el
flujo generado por los ventiladores en sentido ascendente ha sido
hasta hoy descartada ya que es susceptible de generar pérdidas de
cargas suplementarias en el circuito de refrigeración o un consumo
eléctrico incrementado de dichos ventiladores.
Uno de los objetivos de la presente invención es
el de paliar en todo o en parte los inconvenientes de la técnica
anterior que se han señalado más arriba.
Con esta finalidad, la pila de acuerdo con la
invención aparece definida en la reivindicación 1.
Por otra parte, algunos modos de realización de
la invención pueden incluir una o varias de las siguientes
características:
- la o las palas del rectificador están curvadas
según una primera dirección prácticamente perpendicular al eje del
flujo y en una segunda dirección prácticamente paralela al eje del
flujo, para reconducir al menos una parte del flujo gaseoso que
tiene un caudal relativamente más importante hacia al menos una
parte del flujo que tiene un caudal relativamente más reducido;
- el generador de un flujo gaseoso está separado
del apilamiento por una distancia comprendida entre 15 y 60 mm y
preferentemente del orden de 30 mm;
- el órgano rectificador de flujo está separado
del apilamiento por una distancia superior a 10 mm y preferentemente
comprendida entre 20 y 35 mm;
- el órgano rectificador de fluyo incluye de
seis a ocho palas estáticas;
- las palas estáticas del órgano rectificador
están unidas cada una a un marco exterior (pero no a un cubo
central);
- la pila incluye varios generadores de flujo
gaseoso adyacentes destinados a enfriar respectivamente las
correspondientes zonas adyacentes del apilamiento y consta de un
respectivo órgano rectificador asociado a cada generador de flujo
gaseoso;
- la pila es del tipo de membrana
intercambiadora de protones.
Otras particularidades y ventajas se irán
mostrando a lo largo de la descripción que viene a continuación,
hecha en referencia a las figuras en las que:
- la figura 1 representa una vista en
perspectiva esquemática y parcial de un ejemplo de pila provista de
un dispositivo de refrigeración de acuerdo con la invención;
- la figura 2 representa una vista en
perspectiva que ilustra una variante de realización posible y no
restrictiva de un detalle de la figura 1 (órgano rectificador);
- la figura 3 representa las dos curvas de
perfiles de velocidad del gas de refrigeración de los diferentes
canales de una célula de pila, respectivamente con (curva que pasa
por los puntos) y sin invención (curva que pasa por las
cruces).
En el ejemplo de realización ilustrado en la
figura 1 está representada una pila de combustible únicamente y de
forma simbólica por su apilamiento 1 ("stack") de células
elementales y el dispositivo de refrigeración del apilamiento
asociado.
La pila incluye un dispositivo de refrigeración
de dicho apilamiento 1 de células por intercambio térmico forzado
con un gas caloportador, como el aire, por medio de al menos un
generador 2 de un flujo gaseoso según un eje A. El generador 2 es,
por ejemplo, un ventilador o aparato similar.
De acuerdo con la invención la pila incluye al
menos un órgano rectificador 3 de flujo gaseoso dispuesto
estáticamente entre el apilamiento 1 de células y el generador 2.
El órgano rectificador 3 incluye al menos una pala 13 estática
ajustada para disminuir la heterogeneidad del caudal del flujo
gaseoso resultante del generador 2 según una dirección claramente
perpendicular al eje A del flujo antes de su llegada al apilamiento
1.
Por ejemplo, y como se ve en el ejemplo posible
de la figura 2, el órgano rectificador 3 de flujo puede incluir una
pluralidad de palas 13 estáticas (por ejemplo de seis a ocho) que
pueden estar curvadas de manera simétrica alrededor de un eje de
revolución. Preferentemente este eje de revolución está, en posición
ensamblada, prácticamente confundido con el eje A del flujo gaseoso
de refrigeración que pasa por la parte central (cubo) del generador
2.
Las palas 13 estáticas del órgano rectificador 3
están unidas cada una preferentemente a un marco 33 exterior, pero
no a un cubo fijo central (figura 2).
Las palas 13 del rectificador 3 están curvadas
preferentemente según una primera dirección prácticamente
perpendicular al eje A del flujo y según una segunda dirección
prácticamente paralela al eje A del flujo para reconducir al menos
una zona del flujo gaseoso que tiene un caudal relativamente más
importante hacia al menos una zona del flujo que tiene un caudal
relativamente más reducido.
Por ejemplo, el rectificador 3 reconduce una
parte de la periferia del flujo (relativamente alejada del eje de
simetría longitudinal central del flujo) hacia una zona más central
del flujo (relativamente más próxima al eje A de simetría
longitudinal central del flujo).
El generador 2 de flujo (ventilador) está
alejado del apilamiento 1 por una distancia comprendida
preferentemente entre 15 y 60 mm y, más preferentemente aún, del
orden de 30 mm.
El órgano rectificador está, por su parte,
alejado del apilamiento 1 por una distancia D superior a 10 mm y
preferentemente comprendida entre 20 y 35 mm.
Por ejemplo, el órgano rectificador 3 puede
tener una anchura o espesor de 12 mm y estar colocado contra el
ventilador 2, del lado soplador de este último.
La solicitante ha constatado particularmente que
la invención permite homogeneizar el flujo de admisión de los
canales de refrigeración haciendo desaparecer o reducir las zonas
peor alimentadas que están situadas en la prolongación del eje
central del ventilador. En efecto, el rectificador permite reenviar
un caudal de aire a una velocidad del orden de 4 m/s en la zona
situada en la prolongación del eje del ventilador 2, mientras que,
en la misma configuración sin rectificador montado de acuerdo con la
invención, se pueden observar algunos canales en los que la
velocidad de fluencia es inferior a 1 m/s e incluso prácticamente
nula.
El órgano rectificador 3 conlleva de esta manera
una disminución de las velocidades en los canales de las
extremidades de las placas de pila (alejadas de la parte central) en
beneficio de la parte central. Hay que subrayar que la disminución
de las velocidades en los canales periféricos se mantiene aceptable
ya que en la práctica la invención no hace caer la velocidad de
fluencia en estos últimos a menos de aproximadamente 3 m/s.
De este modo, ciertos canales denominados
centrales (eje del ventilador) ven cómo su alimentación de aire de
refrigeración pasa de 1 m/s a más de 4 m/s gracias a la
invención.
La distancia del órgano rectificador 3 respecto
de las placas es preferentemente como mínimo de 10 mm para permitir
en particular un establecimiento más homogéneo y estabilizado del
flujo de aire a la salida del órgano rectificador 3.
La invención presenta otras ventajas. Así pues,
esta disposición no parece conllevar perturbaciones acústicas, ni
un sobreconsumo de los ventiladores causado por la presencia de los
órganos rectificadores 3, ni tampoco pérdidas de carga
significativas.
Algunos ensayos anemométricos de un sistema de
pila MOBIXANE (marca registrada) de la empresa Axane han permitido
cartografiar de manera precisa las velocidades a la salida de los
canales de refrigeración (en el centro de cada canal, a 4 mm de la
salida). La invención permite limitar de manera considerable las
diferencias de caudal en el interior de los canales. En efecto, se
puede constatar que las zonas situadas en la prolongación de las
partes centrales (cubo) de los ventiladores 2 están mejor
alimentadas de acuerdo con la invención (aproximadamente de 4 a 5
m/s frente a valores de 1 a 2 m/s sin la invención). Los
rectificadores 3 permiten por lo tanto homogeneizar el caudal de
refrigeración. Paradójicamente, la invención no genera un aumento
importante de las pérdidas de cargas y, por consiguiente, tampoco
una disminución significativa del caudal global de refrigeración,
como se podría esperar a priori. En efecto, el caudal medio
de aire se mantiene prácticamente idéntico en las dos
configuraciones (8,27 m/s sin la invención y 8,35 m/s con la
invención).
La figura 3 ilustra igual de bien los efectos de
la invención al nivel de una célula de pila de un apilamiento. En
efecto, esta figura 3 representa las dos curvas de perfiles de
velocidad del gas de refrigeración (velocidad V expresada en m/s en
las ordenadas) de los diferentes canales C (numerados de 1 a 21 en
la abscisa) de una célula situada en la prolongación del eje
central del ventilador.
Se constata fácilmente que de acuerdo con la
invención (representada por puntos) las velocidades en los canales
de refrigeración son más homogéneas que sin el rectificador 3 de
acuerdo con la invención (representadas por cruces).
Esta homogeneización del flujo de refrigeración
de los canales en la térmica de una célula resulta ventajosa para
el funcionamiento de la pila. En efecto, la invención permite
disminuir el gradiente de temperatura en el interior de un conjunto
de membrana-electrodo (MEA) de una célula. La
invención permite en particular hacer disminuir la temperatura
máxima local de un conjunto del tipo
membrana-electrodo (típicamente de 4ºK:329ºK frente
a 333ºK para un sistema sin la invención). La invención no afecta o
lo hace mínimamente a las células que ya resultaban favorecidas en
la fluencia de aire (su temperatura máxima se mantiene estable,
típicamente en torno a 322ºK).
Claims (8)
1. Pila de combustible que incluye una
pluralidad de células adyacentes que forman un apilamiento (1) de
células, y un dispositivo de refrigeración de dicho apilamiento (1)
de células por intercambio térmico forzado con un gas caloportador,
tal como el aire, por medio de al menos un generador (2) de un flujo
gaseoso según un eje (A) de fluencia, incluyendo la pila al menos
un órgano rectificador (3) de flujo gaseoso colocado entre el
apilamiento (1) de células y el generador (2), incluyendo el órgano
rectificador (3) al menos una pala (13) estática ajustada para
disminuir la heterogeneidad del caudal del flujo gaseoso resultante
del generador (2) según una dirección sensiblemente perpendicular
al eje (A) del flujo antes de su llegada al apilamiento (1),
caracterizada porque el generador (2) de flujo gaseoso es una
hélice soplante que incluye al menos una pala giratoria (12) unida
a un cubo (22) giratorio, y porque la o las palas (13) estáticas del
rectificador (3) están curvadas para reconducir una parte del flujo
situada de manera relativamente alejada del eje (A) del flujo que
pasa por el cubo (22) giratorio hacia una zona del flujo situada
relativamente más próxima al eje (A) del flujo que pasa por el cubo
(22) giratorio, y porque el órgano rectificador (3) de flujo incluye
una pluralidad de palas (13) estáticas curvadas de manera simétrica
alrededor de un eje de revolución sensiblemente confundido con el
eje (A) del flujo gaseoso de refrigeración que pasa por la parte
central del generador (2).
2. Pila según la reivindicación 1,
caracterizada porque la o las palas (13) del rectificador (3)
están curvadas según una primera dirección sensiblemente
perpendicular al eje (A) del flujo y según una segunda dirección
sensiblemente paralela al eje (A) del flujo, para reconducir al
menos una parte del flujo gaseoso que tiene un caudal relativamente
más grande hacia al menos una parte del flujo que tiene un caudal
relativamente más pequeño.
3. Pila según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 o 2, caracterizada porque el generador (2)
de flujo gaseoso está separado del apilamiento (1) por una
distancia comprendida entre 15 y 60 mm y preferentemente del orden
de 30 mm.
4. Pila según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque el órgano
rectificador (3) de flujo está separado del apilamiento (1) por una
distancia (D) superior a 10 mm y preferentemente comprendida entre
20 y 35 mm.
5. Pila según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque al menos un
órgano rectificador (3) de flujo incluye al menos tres palas (13)
estáticas y preferentemente de seis a ocho palas (13) estáticas.
6. Pila según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque las palas (13)
estáticas del órgano rectificador (3) están unidas cada una a un
marco (33) exterior.
7. Pila según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque incluye varios
generadores (2) de flujo gaseoso adyacentes destinados a enfriar
respectivamente correspondientes zonas adyacentes del apilamiento
(1) y porque incluye un respectivo órgano rectificador (3) asociado
a cada generador (2) de flujo gaseoso.
8. Pila de combustible según una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque es del tipo
de membrana intercambiadora de protones.
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