ES2430318T3

ES2430318T3 - Fuente de energía eléctrica que incorpora una pila de combustible sin descarga de materia hacia el exterior y procedimiento de control de tal fuente de energía

Info

Publication number: ES2430318T3
Application number: ES03807863T
Authority: ES
Inventors: Jean-Philippe Poirot-Crouvezier
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2002-10-11
Filing date: 2003-10-01
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2023-10-01
Also published as: FR2845824B1; EP1559159A1; CN1703798A; US20050202300A1; FR2845824A1; WO2004034495A1; US8029938B2; CN1312800C; JP2006502546A; EP1559159B1; JP4694203B2

Abstract

Fuente de energía eléctrica que incorpora una pila de combustible (1) por la que es pasante al menosun canal de circulación (5a) que incorpora una entrada conectada a una fuente de fluido reactivo y una salidaconectada a un depósito (10), estando dispuesta una válvula de entrada entre la fuente de fluido reactivo y laentrada del canal de circulación (5a), incorporando dicha pila de combustible (1) una entrada (1a) y una salida (1b)vinculadas por el canal de circulación (5a), fuente de energía caracterizada por incorporar un dispositivo de mando(12) que controla la apertura y el cierre de la válvula de entrada (11) en virtud del cual la válvula de entrada (11) estácerrada durante un primer período de tiempo (T1) predeterminado y abierta durante un segundo período de tiempo(T2) predeterminado, muy inferior al primer período de tiempo (T1), en orden a alimentar, durante el primer períodode tiempo (T1), la pila de combustible (1) con fluido reactivo, únicamente desde el depósito (10) a través del canal decirculación (5a) por dicha salida de la pila (1b) y, durante el segundo período de tiempo (T2), a llenar el depósito (10)con fluido reactivo únicamente desde la fuente de fluido reactivo a través del canal de circulación (5a) y, de estemodo, a expulsar al interior del depósito (10) el agua acumulada en la pila de combustible (1).

Description

Fuente de energía eléctrica que incorpora una pila de combustible sin descarga de materia hacia el exterior y procedimiento de control de tal fuente de energía

Ámbito técnico de la invención

La invención concierne a una fuente de energía eléctrica que incorpora una pila de combustible, por la que es pasante al menos un canal de circulación que incorpora una entrada y una salida respectivamente conectadas a una fuente de fluido reactivo y a un depósito, estando dispuesta una válvula de entrada entre la fuente de fluido reactivo y la entrada del canal de circulación.

Estado de la técnica

Una fuente de energía eléctrica que incorpora una pila de combustible 1 de baja temperatura de tipo pila de combustible de membrana intercambiadora de protones («PEMFC» o «Proton Exchange Membrane Fuel Cell»), representada en la figura 1, incorpora un ánodo 2 y un cátodo 3 separados por una membrana 4 que deja pasar los protones H+. El ánodo 2 es el foco de una reacción cuyo reactivo es el hidrógeno, en tanto que en el cátodo 3 se produce una reacción entre los protones H+ originados en el ánodo 2 y oxígeno. El ánodo 2 y el cátodo 3 son alimentados con hidrógeno y con oxígeno respectivamente, a través de los canales de circulación 5a y 5b conectados a unas fuentes de reactivo que pueden ser, por una parte, hidrógeno puro o hidrocarburos reformados para la fuente de hidrógeno y, por otra, oxígeno puro o aire para la fuente de oxígeno. Los canales de circulación 5a y 5b se hallan respectivamente delimitados por la pared externa del ánodo y del cátodo y por la pared interna de unas placas 6a y 6b.

El agua producida en el transcurso del funcionamiento de la pila de combustible generalmente se estanca en los canales de circulación 5a y 5b en el interior de la pila de combustible 1, frenando e incluso deteniendo la reacción en la pila de combustible. Por lo tanto, para obtener una fuente de energía eléctrica con un buen rendimiento, el agua presente en la pila de combustible tiene que ser expulsada. En efecto, el agua, si no es expulsada, se condensa en la pila y se acumula en la parte opuesta a la llegada de los gases, en los canales de circulación. La acumulación de agua entraña el riesgo de inundar la pila de combustible bloqueando el acceso de los gases a los electrodos.

La expulsión del agua producida por la pila de combustible se realiza generalmente mediante arrastre mecánico del agua, al mismo tiempo que la expulsión de gas reactivo no consumido. Así, en la figura 2, una fuente de energía que incorpora una pila de combustible 1 permite realizar una expulsión continua del agua producida, en la salida de los canales de circulación 5a y 5b cuyas entradas están respectivamente conectadas a una fuente de oxígeno y a una fuente de hidrógeno. Al ser la presión de los gases en la pila de combustible superior a la presión exterior aguas abajo, el agua producida en la pila de combustible 1 es arrastrada entonces mecánicamente, fuera de la pila de combustible, por el gas reactivo no consumido. Los canales de circulación 5a y 5b incorporan sendas válvulas 7, constituidas en este caso por válvulas de alivio, dispuestas en la salida de la fuente de energía. Esta técnica está especialmente adaptada para una alimentación continua de aire o de combustible reformado para la cual es necesario expulsar en continuo los compuestos no reactivos tales como el nitrógeno no consumido, además del agua producida.

Al ser continua la alimentación de gas reactivo, cabe asimismo la posibilidad de expulsar el agua realizando purgas periódicas con el concurso de las válvulas 7, que constituyen válvulas de purga. La presión dentro de la pila es superior a la presión exterior aguas abajo y los gases reactivos no consumidos arrastran el agua, mecánicamente y de manera discontinua, al exterior de la fuente de energía. Esta técnica es empleada en muchos casos para fuentes de reactivos puros y la frecuencia de las purgas va de algunas purgas por minuto a algunas purgas por hora. Los procedimientos de expulsión continua y discontinua presentan sin embargo el inconveniente de descargar emisiones de gas o de fluido al exterior de la pila de combustible.

Un procedimiento llamado de recirculación permite evitar las descargas. Así, en la figura 3, la fuente de energía incorpora un dispositivo de recirculación 8 del gas, dispuesto entre la salida y la entrada de la pila de combustible 1. Una bomba permite reinyectar en la entrada de la pila de combustible 1 el gas tomado a la salida de la pila. El agua producida en la pila y expulsada por el canal de recirculación 5b al mismo tiempo que el gas reactivo no consumido se separa a continuación del gas reactivo en el dispositivo de recirculación el cual puede ser, por ejemplo, un condensador. El agua se expulsa entonces hacia el exterior o se almacena. Por ejemplo, el documento US5798186A describe una fuente energética que incorpora una celda electroquímica. Una fuente de hidrógeno y una fuente de aire están conectadas con la entrada de la celda electroquímica, en tanto que con la salida de la celda se halla conectado un depósito, en orden a recoger el agua formada y el hidrógeno que no ha reaccionado en la celda. Entre la fuente de hidrógeno y la entrada de la celda va dispuesto un regulador de presión y el hidrógeno que no ha reaccionado es redirigido a la entrada de la celda, aguas abajo del regulador de presión, merced a una canalización exterior y una bomba. Este procedimiento, llamado de recirculación, evita descargas, pero es complejo en su realización y precisa de una voluminosa fuente de energía y de una bomba que va en detrimento de la robustez de la fuente de energía.

Se conoce también combinar los procedimientos de circulación continua y discontinua y de recirculación. Por ejemplo, el documento «Fuel cell systems» de Leo J. M. Blomen y de Michael N. Mugerwa (Plenum Press; New York and London, 1993) describe, páginas 518 y 519, una fuente de energía que incorpora una pila de combustible y un sistema de circulación discontinua para el canal de circulación del hidrógeno y un sistema de recirculación para el canal reservado al oxígeno. Sin embargo, estas fuentes de energía ocupan mucho espacio y precisan de equipos suplementarios, poco prácticos en un medio confinado.

Objeto de la invención

La invención tiene por finalidad una fuente de energía eléctrica que incorpora una pila de combustible, compacta, robusta y capaz de expulsar el agua de la pila de combustible, sin descargar materia al exterior de la fuente de energía eléctrica.

De acuerdo con la invención, esta finalidad se consigue mediante una fuente de energía eléctrica según las reivindicaciones que se adjuntan.

Según un desarrollo de la invención, la fuente de energía incorpora dos canales de circulación respectivamente conectados, por una parte, a unos depósitos primero y segundo y, por otra, a una fuente de hidrógeno y a una fuente de oxígeno.

Según otra característica de la invención, el volumen del depósito es muy superior al volumen de fluido reactivo contenido en la pila de combustible.

La invención tiene asimismo por objeto un procedimiento de control de una fuente de energía tal como la anterior, fácil de realizar.

De acuerdo con la invención, el procedimiento de operación y de control comprende:

-: estando el depósito lleno de fluido reactivo, el cierre de la válvula de entrada del canal de circulación durante un primer período de tiempo predeterminado,

-: la apertura de la válvula de entrada durante un segundo período de tiempo predeterminado, en orden a expulsar al interior del depósito el agua acumulada en la pila de combustible durante el primer período de tiempo y a llenar de nuevo el depósito con fluido reactivo, siendo el segundo período de tiempo muy inferior al primer período de tiempo.

Según un desarrollo de la invención, el segundo período de tiempo tiene una duración del orden de unas fracciones de segundo.

Descripción sucinta de los dibujos

Otras ventajas y características se pondrán más claramente de manifiesto a partir de la descripción subsiguiente de unas formas de realización particulares de la invención, dadas a título de ejemplos no limitativos y representadas en los dibujos que se adjuntan, en los cuales:

La figura 1 representa esquemáticamente una pila de combustible de tipo PEMFC de una fuente de energía según la técnica anterior.

Las figuras

2 y 3 son representaciones esquemáticas de fuentes de energía eléctrica según la técnica anterior.

Las figuras

4 y 5 representan esquemáticamente una fuente de energía según la invención, estando la válvula de entrada respectivamente en posición cerrada y en posición abierta.

Descripción de formas de realización particulares

La fuente de energía eléctrica, utilizada preferentemente en un medio confinado, incorpora una pila de combustible 1 y al menos un canal de circulación 5a pasante por la pila de combustible. En la figura 4, la pila de combustible 1 de tipo PEMFC está delimitada por línea de puntos e incorpora al menos una entrada 1a y al menos una salida 1b vinculadas entre sí por el canal de circulación 5a. El canal de circulación 5a incorpora una entrada, conectada a una fuente de fluido reactivo (no representada) y dispuesta aguas arriba de la entrada 1a de la pila de combustible, y una salida dispuesta aguas abajo de la salida 1b de la pila de combustible, en orden a alimentar la pila de combustible con fluido reactivo y a expulsar el agua producida en la pila de combustible. La fuente de energía 9 incorpora asimismo un depósito 10 dispuesto a la salida del canal de circulación 5a y una válvula de entrada 11 dispuesta entre la fuente de fluido reactivo y la entrada del canal de circulación 5a. La apertura y el cierre de la válvula de entrada 11 están controlados por un dispositivo de mando 12.

El depósito 10 está destinado a contener el fluido reactivo que alimenta la pila de combustible y el agua producida en la pila de combustible. Su volumen es superior al volumen de fluido reactivo contenido en la pila de combustible, en orden a poder contener la cantidad de agua producida durante un tiempo de utilización suficientemente largo de la fuente de energía.

El funcionamiento de la fuente de energía eléctrica 9 se rige por un procedimiento de control de la fuente de energía eléctrica que comprende dos etapas que se repiten alternativamente. El depósito contiene, al principio, un fluido reactivo, destinado a alimentar la pila de combustible con fluido reactivo. El depósito se llena con fluido reactivo al abrir la válvula de entrada 11 merced al dispositivo de mando 12. Preferentemente, éste contiene hidrógeno puro si se halla dispuesto a la salida del canal de circulación correspondiente a una fuente de hidrógeno, u oxígeno puro si se halla dispuesto a la salida del canal correspondiente a una fuente de oxígeno. La fuente de energía puede incorporar asimismo dos canales de circulación respectivamente conectados, por una parte, a unos depósitos primero y segundo y, por otra, a una fuente de hidrógeno y a una fuente de oxígeno.

Una vez lleno el depósito 10, la válvula de entrada 11 del canal de circulación 5a se cierra (figura 4) durante un primer período de tiempo T1 predeterminado bastante largo. La alimentación de un fluido reactivo a la pila de combustible 1 se lleva entonces a cabo por intermedio del depósito 10. En la figura 4, la circulación del fluido reactivo cuando se cierra la válvula de entrada se representa mediante la flecha F1 que está dirigida del depósito 10 hacia la salida 1b de la pila de combustible 1. Así, la alimentación de la pila de combustible con fluido reactivo tiene lugar por la salida 1b de la pila de combustible. La pila de combustible consume el fluido reactivo y produce agua, mayoritariamente en forma líquida. Si el fluido reactivo es un gas, la cantidad de gas en el interior de la pila disminuye progresivamente y provoca una depresión en el interior de la pila de combustible 1. El agua producida se acumula en el canal de circulación 5a, en la parte opuesta a la llegada de fluido reactivo, es decir, en la parte opuesta al depósito 10, en la entrada 1a de la pila de combustible, durante todo el primer período de tiempo T1.

La válvula de entrada 11 se abre a continuación durante un segundo período de tiempo predeterminado T2 (figura 5), en orden a reequilibrar la presión dentro del circuito de circulación 5a. La apertura de la válvula de entrada, accionada por el dispositivo de mando 12, permite expulsar periódicamente, hacia el depósito 10, el agua acumulada en la pila de combustible durante el primer período de tiempo T1. La corriente de fluido reactivo que llega hasta la entrada del canal de circulación 5a arrastra el agua acumulada en la entrada 1a de la pila de combustible, hacia el depósito 10, y permite llenar de nuevo el depósito 10 con fluido reactivo. En la figura 5, las flechas F2 representan el movimiento de circulación del fluido reactivo que va de la entrada del canal de circulación hacia el depósito 10, pasando a través de la pila de combustible 1, de su entrada 1a hacia su salida 1b. El segundo período de tiempo T2 es muy inferior al primer período de tiempo T1. Preferentemente, tiene una duración del orden de unas fracciones de segundo. Así, el hecho de disponer un depósito 10 en la salida del canal de circulación 5a y de accionar periódicamente una válvula de entrada 11 dispuesta en la entrada del canal de circulación permite hacer circular el fluido reactivo por el canal de circulación 5a, alternativamente en un sentido y en otro y, por lo tanto, reducir el volumen de la fuente de energía eléctrica al suprimir canales exteriores de recirculación.

El depósito se halla dispuesto preferentemente a un nivel inferior a la pila de combustible, en orden a atrapar el agua en el depósito, por gravedad y, por tanto, impedir el retorno hacia la pila de combustible del agua contenida en el depósito.

El depósito puede incorporar asimismo unos medios de captura física o química del agua, para impedir el paso del agua contenida en el depósito hacia la pila de combustible. El depósito puede incorporar, por ejemplo, un material poroso o una sal, que ocupe el volumen del depósito y retenga el agua por capilaridad o por absorción. Los materiales porosos o las sales están especialmente adaptados para aplicaciones espaciales, donde la ausencia de gravedad hace más compleja la separación gas-líquido. El material poroso puede ser de todo tipo, por ejemplo de tipo espuma metálica, cerámica, polímero o fieltro metálico.

Si el fluido reactivo contenido en el depósito es un gas, el depósito se puede calentar, en orden a mantener su contenido a una temperatura cercana a la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible. La humidificación del gas queda asegurada entonces durante el primer período de tiempo, cuando la válvula de entrada está cerrada, lo cual propicia un nivel óptimo de rendimiento para la pila de combustible.

El volumen del depósito es superior al volumen de fluido reactivo contenido en la pila de combustible, en orden a poder contener la cantidad de agua producida durante un tiempo de utilización suficientemente largo de la fuente de energía. A título de ejemplo, el depósito puede tener un volumen de 10 litros para una pila de 10 kW, en tanto que el volumen de fluido reactivo contenido en la pila de combustible es de 0,1 l/kW y el volumen de agua producida es de 0,5 l/kWh. La capacidad de almacenamiento del agua corresponde entonces a al menos 10 kWh.

La fuente de energía presenta la ventaja de que no descarga gases al exterior de la fuente de energía eléctrica y permite almacenar durante un período de tiempo bastante largo el agua producida por la pila de combustible.

La invención no queda limitada a las formas particulares de realización anteriormente descritas. Así, el depósito puede disponerse en el interior de la pila de combustible, por ejemplo entre las placas 6a y 6b.

Así también, la invención, que se aplica preferentemente a las pilas de combustible de baja temperatura y más en particular a las pilas de tipo PEMFC, puede aplicarse igualmente a otros tipos de pilas de combustible que utilizan como combustible o comburente reactivos puros. Así, esta puede ser de aplicación a pilas de tipo AFC («Alkaline Fuel Cell»), PAFC («Phosphore Acid Fuel Cell») o SOFC («Solid Oxide Fuel Cell»).

Claims

REIVINDICACIONES

1. Fuente de energía eléctrica que incorpora una pila de combustible (1) por la que es pasante al menos un canal de circulación (5a) que incorpora una entrada conectada a una fuente de fluido reactivo y una salida conectada a un depósito (10), estando dispuesta una válvula de entrada entre la fuente de fluido reactivo y la entrada del canal de circulación (5a), incorporando dicha pila de combustible (1) una entrada (1a) y una salida (1b) vinculadas por el canal de circulación (5a), fuente de energía caracterizada por incorporar un dispositivo de mando

(12) que controla la apertura y el cierre de la válvula de entrada (11) en virtud del cual la válvula de entrada (11) está cerrada durante un primer período de tiempo (T1) predeterminado y abierta durante un segundo período de tiempo (T2) predeterminado, muy inferior al primer período de tiempo (T1), en orden a alimentar, durante el primer período de tiempo (T1), la pila de combustible (1) con fluido reactivo, únicamente desde el depósito (10) a través del canal de circulación (5a) por dicha salida de la pila (1b) y, durante el segundo período de tiempo (T2), a llenar el depósito (10) con fluido reactivo únicamente desde la fuente de fluido reactivo a través del canal de circulación (5a) y, de este modo, a expulsar al interior del depósito (10) el agua acumulada en la pila de combustible (1).
2.

Fuente de energía según la reivindicación 1, caracterizada por incorporar dos canales de circulación (5a, 5b) respectivamente conectados, por una parte, a unos depósitos (10) primero y segundo y, por otra, a una fuente de hidrógeno y a una fuente de oxígeno.
3.

Fuente de energía según una de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizada porque el depósito (10) se halla dispuesto a un nivel inferior a la pila de combustible (1), en orden a atrapar el agua en el depósito (10).
4.

Fuente de energía según una de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizada porque el depósito (10) incorpora unos medios de captura física o química del agua.
5.

Fuente de energía según la reivindicación 4, caracterizada porque los medios de captura incorporan un material poroso.
6.

Fuente de energía según la reivindicación 4, caracterizada porque los medios de captura incorporan una sal.
7.

Fuente de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque el volumen del depósito (10) es muy superior al volumen de fluido reactivo contenido en la pila de combustible (1).
8.

Procedimiento de operación y de control de una fuente de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque comprende:

-

estando el depósito (10) lleno de fluido reactivo, el cierre de la válvula de entrada (11) del canal de circulación (5a) durante un primer período de tiempo (T1) predeterminado,

-

la apertura de la válvula de entrada (11) durante un segundo período de tiempo (T2) predeterminado, en orden a expulsar al interior del depósito (10) el agua acumulada en la pila de combustible (1) durante el primer período de tiempo (T1) y a llenar de nuevo el depósito (10) con fluido reactivo, siendo el segundo período de tiempo (T2) muy inferior al primer período de tiempo (T1).
9.

Procedimiento según la reivindicación 8, caracterizado porque el segundo período de tiempo (T2) tiene una duración del orden de unas fracciones de segundo.
10.

Procedimiento según una de las reivindicaciones 8 y 9, caracterizado porque el depósito (10) es calentado en orden a mantener su contenido a una temperatura cercana a la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible.