ES2559955T3 - Método para refrigerar una disposición de pilas de combustible - Google Patents

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Abstract

Método para refrigerar una disposición de pilas de combustible (1) que comprende unidades de electrodos de la membrana (3) dispuestas entre placas bipolares (3a), donde con la ayuda de un refrigerante, en particular con la ayuda de agua desmineralizada, es evacuado calor de la disposición de pilas de combustible (1), caracterizado porque, para reducir la tensión superficial de las placas bipolares (3a) al refrigerante (K) se agrega un surfactante no iónico (T), el cual presenta un punto de turbidez inferior a 30ºC y en particular inferior a 20ºC, donde como surfactante (T) se utiliza polietileno-polipropilenglicol monodecil éter.

Description

DESCRIPCION
Metodo para refrigerar una disposicion de pilas de combustible
La presente invencion hace referencia a un metodo para refrigerar una disposicion de pilas de combustible que comprende varias unidades de electrodos de la membrana dispuestas entre placas bipolares, donde con la ayuda de 5 un refrigerante, en particular con la ayuda de agua desmineralizada, es evacuado calor de la disposicion de pilas de combustible. La invencion hace referencia ademas a la utilizacion de un refrigerante, en particular agua desmineralizada, para refrigerar una disposicion de pilas de combustible, as! como a una disposicion de pilas de combustible que comprende varias unidades de electrodos de membrana dispuestas entre placas bipolares, as! como a un circuito refrigerante con un refrigerante, en particular con agua desmineralizada, para evacuar calor de la 10 disposicion de pilas de combustible.
Las pilas de combustible se consideran cada vez mas importantes en conceptos con proyeccion a futuro para la generacion de energla. En particular, las pilas de combustible de baja temperatura a base de la tecnologla de membrana de electrolito de pollmero (PEM) han sido evaluadas como transformadores de energla eficientes y respetuosos con el medio ambiente para aplicaciones portables, moviles y fijas.
15 El elemento fundamental de una pila individual PEM es una unidad de electrodo de la membrana. Dicha unidad se compone de dos electrodos (de un anodo y de un catodo) y de una membrana de electrolito que se encuentra entre los dos electrodos. Entre los electrodos y la membrana de electrolito se encuentra una capa de catalizador, en donde tienen lugar los procesos flsicos y electroqulmicos relevantes, como la adsorcion de hidrogeno y oxlgeno en el catalizador, la liberacion y la absorcion de electrones, y la formacion de agua del lado catodico a traves de la 20 combinacion de protones y oxlgeno (reducido) que se difunden a traves de la membrana.
Durante el funcionamiento de una pila de combustible las perdidas termicas que se producen deben eliminarse del area activa de la pila de combustible para evitar sobrecalentamientos locales (los as! llamados "hot spots" -del ingles “puntos calientes”-) en la pila de combustible. En el caso de densidades de corriente elevadas en una pila de combustible, lo mencionado tiene lugar del modo mas efectivo a traves de un refrigerante llquido que atraviesa la 25 pila de combustible.
En una apilamiento de pilas de combustible, en el lado distanciado de la membrana de electrolito, as! como de la capa de catalizador, los electrodos se encuentran en contacto respectivamente con una as! llamada placa bipolar o unidad de refrigeracion. La placa bipolar cumple la funcion de separar las pilas de combustible individuales (del lado de los medios), de encargarse del flujo de corriente en el apilamiento de las pilas y de eliminar el calor de reaccion.
30 Junto con la conduccion de corriente y el guiado de los reactivos hidrogeno y oxlgeno, las placas bipolares cumplen con su funcion de refrigeracion mediante la circulacion de agua a traves de las mismas. Debido a su elevada capacidad termica especlfica, a la conductividad electrica reducida, a la buena compatibilidad con los medios y a los costes operativos reducidos, las pilas de combustible se utilizan con una membrana de electrolito de pollmero (pilas de combustible PEM), principalmente con agua desmineralizada como refrigerante. El agua de refrigeracion puede 35 tener solamente una conductividad muy reducida y debe estar libre de aire lo mas posible para que ninguna burbuja de gas se fije en la superficie de las placas bipolares, ya que las areas con burbujas de gas no pueden refrigerarse de forma optima, sobrecalentandose por ello de forma local. No obstante, debido a condiciones previas flsicas y constructivas, no debe excluirse el hecho de que tambien el agua de refrigeracion originalmente libre de gas absorbe nuevamente gas y se encuentra provista de burbujas.
40 Anteriormente, al poner en funcionamiento una instalacion de pila de combustible se prestaba atencion a la separacion de aire gaseoso y disuelto del sistema, a traves de recirculacion. Se consideran adecuadas especificaciones especiales, en perlodos determinados regular al maximo la velocidad de la bomba, verificar el contenido de gas a traves de la observacion optica de volumenes reducidos en mirillas al descomprimir o al utilizar un as! llamado gas de vaclo hasta por debajo del punto de saturacion El objetivo de estos metodos es no admitir 45 ninguna mezcla de dos fases (gas/agua) en el agua de refrigeracion, de manera que en la placa bipolar no pueda producirse una acumulacion de gas y, con ello, un sobrecalentamiento local.
Por la solicitud EP 1 262 535 A1 se conoce ademas un refrigerante para un apilamiento de pilas de combustible que, para reducir la conductividad, contiene un aditivo contra la oxidacion, el cual tambien puede tratarse de un surfactante.
50 En la solicitud US 6,887,597 B1 se describe ademas una limpieza de un sistema de refrigeracion de una pila de combustible con la ayuda de un medio de pasivacion de limpieza. El medio de pasivacion de limpieza contiene en este caso un surfactante. La limpieza, as! como la pasivacion del sistema de refrigeracion, sin embargo, no se efectuan durante el funcionamiento de la pila de combustible, sino antes del contacto de los componentes con el refrigerante, cuando se instalan componentes nuevos o a intervalos periodicos.
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Es objeto de la presente invencion posibilitar un funcionamiento de una pila de combustible, en donde tenga lugar una refrigeration eficiente en cuanto a una supresion de sobrecalentamientos locales.
De acuerdo con la invencion, este objeto se alcanzara a traves de un metodo para refrigerar una disposition de pilas de combustible que comprende unidades de electrodos de la membrana dispuestas entre placas bipolares, donde con la ayuda de un refrigerante, en particular con la ayuda de agua desmineralizada, es evacuado calor de la disposicion de pilas de combustible, segun la reivindicacion 1.
De acuerdo con la reivindicacion 4, conforme a la invencion, el objeto se alcanzara a traves de una utilization de polietileno-polipropilenglicol monodecil eter como un surfactante no ionico con un punto de turbidez inferior a 30°C, en particular inferior a 20°C, en un refrigerante, en particular agua desmineralizada, para refrigerar una disposicion de pilas de combustible.
Por ultimo, conforme a la invencion, el objeto se alcanzara a traves de un disposicion de pilas de combustible que comprende varias unidades de electrodos de la membrana dispuestas entre placas bipolares, as! como un circuito refrigerante con un refrigerante, en particular con agua desmineralizada, para evacuar calor de la disposicion de pilas de combustible, de acuerdo con la reivindicacion 5.
Las ventajas y variantes preferentes que se mencionan a continuation con respecto al metodo pueden transmitirse de manera conveniente a la pila de combustible y a la utilizacion del refrigerante que contiene un surfactante no ionico.
La presente invencion se basa en la idea de reducir lo mas posible la tension superficial del sistema refrigerante/burbujas de aire/superficie de la placa bipolar, de manera que las burbujas de aire no puedan fijarse en la superficie, de modo que son expulsadas con facilidad. Lo mencionado se efectua agregando un surfactante no ionico al refrigerante. Como surfactante se entiende aqul una sustancia que reduce la tension superficial del refrigerante o la tension del area de interfase entre el refrigerante, las burbujas de gas y la superficie de la placa bipolar.
Como surfactante no ionico se denomina un surfactante que no contiene grupos funcionales disociables y que por tanto no se separa en iones en el agua. Ademas, el surfactante en particular no contiene impurezas ionicas, como por ejemplo cloruros, sulfatos o iones de hierro, para que la conductividad total permanezca reducida de modo correspondiente. A traves de la utilizacion de un surfactante no ionico se garantiza que el refrigerante represente ademas una solution ampliamente no ionica, gracias a lo cual es muy reducida la conductividad electrica del refrigerante. De este modo se evita el desvlo de potenciales electricos y que puedan producirse procesos de corrosion en los componentes metalicos asociados al refrigerante.
El surfactante no ionico es conducido en particular al circuito refrigerante de la disposicion de pilas de combustible. Para ello, de manera conveniente, se proporciona un conducto de alimentation para el surfactante no ionico, el cual desemboca en el circuito refrigerante. A traves del conducto de alimentacion, exclusivamente el surfactante puede suministrarse al circuito de refrigerante, de manera que la mezcla con el refrigerante tiene lugar primero en el circuito refrigerante. De modo alternativo, mediante el conducto de alimentacion puede suministrarse al circuito el surfactante ya disuelto en el refrigerante.
De acuerdo con la invencion, el surfactante presenta un punto de turbidez inferior a 30°C y en particular inferior a 20°C. Se consideran especialmente adecuados los surfactantes no ionicos con un punto de turbidez reducido, ya que el comportamiento ventajoso, as! como la reduction de la tension superficial, tienen lugar por encima del punto de turbidez. Por consiguiente, para obtener un rango de utilizacion del surfactante lo mas amplio posible se considera ventajoso un punto de turbidez reducido.
Preferentemente, el surfactante es un surfactante pobre en espuma. Los surfactantes pobres en espuma o con poca espuma son surfactantes en los cuales la formation de espuma es minima. Dentro del marco de la presente invencion, con la expresion pobre en espuma o con poca espuma se denominan surfactantes que en el medio acuoso solamente muestran un desarrollo de espuma muy reducido. La utilizacion de un surfactante de esa clase se considera especialmente ventajosa en un circuito refrigerante abierto.
De manera preferente, la concentration del surfactante disuelto en el refrigerante es inferior a 0,1 % en volumen.
De acuerdo con la invencion, como surfactante se utiliza polietileno-polipropilenglicol monodecil eter, el cual se conoce bajo la denomination comercial CHE®-ED 2032. Los analisis realizados han demostrado que el surfactante de ese tipo es especialmente adecuado para la utilizacion en un refrigerante para una pila de combustible debido a su reducida conductividad, a su reducido punto de turbidez y a su capacidad para disminuir en alto grado la tension superficial.
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La utilizacion de surfactantes no ionicos en el refrigerante para una pila de combustible se caracteriza porque los surfactantes de ese tipo pueden utilizarse en un circuito refrigerante ya existente para una pila de combustible o una instalacion de pilas de combustible, sin que se requieran modificaciones constructivas esenciales en el circuito refrigerante. A traves de la utilizacion de un refrigerante que contiene un surfactante no ionico se presenta ademas un ahorro energetico en presencia de burbujas de gas, ya que a traves de la utilizacion de los surfactantes aumenta el caudal a la misma velocidad de la bomba o, de forma inversa, en el caso de un caudal nominal se obtiene una velocidad de la bomba mas reducida.
Un ejemplo de ejecucion de la invencion se explicara en detalle mediante un dibujo. De manera simplificada y esquematica, la unica figura muestra una disposicion de pilas de combustible 1 que presenta un bloque 2 de unidades de electrodos de la membrana 3 apiladas unas sobre otras. Entre las unidades de electrodos de membrana 3 se proporcionan las as! llamadas placas bipolares 3a que paralelamente pueden ser atravesadas por un refrigerante K.
El suministro del refrigerante K hacia las unidades de electrodos de la membrana 3 tiene lugar mediante un canal de distribucion de refrigerante 4 y la descarga del refrigerante K tiene lugar mediante un canal recolector de refrigerante 5.
El refrigerante K es conducido a un circuito 6, de manera que el refrigerante K que puede ser evacuado mediante el canal colector 5 puede ser reconducido nuevamente mediante el circuito 6 de la disposicion de pila combustible 1, es decir, al canal distribuidor de refrigerante 4. Una bomba de refrigerante 7 dispuesta en el circuito 6 se utiliza para bombear el refrigerante K a traves del circuito 6. La potencia de flujo de la bomba de refrigerante 7 puede ser controlada mediante un motor de velocidad variable. Con el fin de una mayor claridad no se representan otros componentes dispuestos en el circuito 6 para refrigerar el refrigerante K, como por ejemplo intercambiadores de calor.
Un surfactante no ionico T es suministrado al refrigerante K. La concentracion del surfactante T en el refrigerante K se ubica en 0,1 % en volumen. Con la ayuda del surfactante T se reduce en alto grado la tension superficial en las placas bipolares 3a, de manera que las burbujas de gas no pueden fijarse en la superficie de las placas bipolares 3a, evitandose de este modo un sobrecalentamiento local de las placas bipolares. Mediante un conducto de alimentacion 8 en donde se encuentra integrada una bomba 9, el surfactante T es suministrado desde un recipiente 10 hacia el circuito 6, mezclandose all! con el refrigerante K. De manera alternativa, el recipiente 10 puede contener una mezcla de refrigerante K y de surfactante no ionico T, de modo que mediante el conducto de suministro 8 es transportado hacia el circuito 6 el surfactante mezclado con el refrigerante K.
En la tabla 1 puede observarse una comparacion de distintos surfactantes no ionicos T en el caso de su utilizacion en un refrigerante K para una disposicion de pilas de combustible 1.
Tabla 1
Nombre
Antarox BL- 330 CHE-ED 2561 CHE-ED 2032 Soprophor 796/P Antarox FM63 Antarox FM33 Igepal CO- 630
Tension superficial (valorada de forma cualitativa)
reducida en alto grado apenas reducida reducida en alto grado reducida de forma minima reducida de forma minima reducida de forma minima reducida de forma minima
Formacion de espuma
si minima si si si si si
Punto de turbidez (°C)
28-33 60 < 16 43-47 23-33
Conductividad
aumentada no medida ~0 ~0 ~0 ~0 ~0
Color
lechoso, turbio claro lechoso, turbio claro claro claro claro
Para los analisis de surfactantes se utilizaron respectivamente soluciones al 0,1 % en peso, es decir, 1 ml de surfactante en 1 1 de agua desmineralizada. En este analisis, Anderox BL-330 y CHE®-ED 2032 mostraron una reduccion particularmente importante del angulo de contacto como medida para la reduccion de la tension
superficial. Anderox BL-330 provoca la reduccion mas importante del angulo de contacto, pero la conductividad electrica elevada del refrigerante mezclado con el mismo impide la utilizacion de ese surfactante.
Para la utilizacion del surfactante no ionico es fundamental tambien que se encuentre libre de impurezas ionicas, para mantener lo mas reducida posible la conductividad del refrigerante y evitar la corrosion, por ejemplo debido a 5 impurezas del cloruro. Por lo tanto, preferentemente se utiliza un surfactante que no influya sobre la conductividad del refrigerante o que solo influya en este de forma minima.
Se analizo el comportamiento termico de una placa bipolar durante el funcionamiento de una pila de combustible, donde como refrigerante se utilizo agua desmineralizada que contiene CHE®-ED 2032 con una concentracion de 0,1 % en volumen. A traves del agregado de ese surfactante se observo una activacion rapida de las acumulaciones de 10 gas en la superficie de la placa bipolar, lo cual condujo a una clara disminucion de los aumentos de temperatura. La desaparicion o la reduccion de los sobrecalentamientos locales tuvo lugar en el rango de minutos. En el desarrollo temporal posterior del funcionamiento de las pilas de combustible se registraron solamente aumentos de temperatura locales que se presentan de forma aislada, por ejemplo de hasta 15°C con respecto a la temperatura del agua desmineralizada.
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Claims (5)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Metodo para refrigerar una disposicion de pilas de combustible (1) que comprende unidades de electrodos de la membrana (3) dispuestas entre placas bipolares (3a), donde con la ayuda de un refrigerante, en particular con la ayuda de agua desmineralizada, es evacuado calor de la disposicion de pilas de combustible (1), caracterizado
    5 porque, para reducir la tension superficial de las placas bipolares (3a) al refrigerante (K) se agrega un surfactante no ionico (T), el cual presenta un punto de turbidez inferior a 30°C y en particular inferior a 20°C, donde como surfactante (T) se utiliza polietileno-polipropilenglicol monodecil eter.
  2. 2. Metodo segun la reivindicacion 1, caracterizado porque el surfactante (T) es un surfactante pobre en espuma.
  3. 3. Metodo segun una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la concentration del surfactante (T) 10 disuelto en el refrigerante (K) es menor a 0,1 % en volumen.
  4. 4. Utilization de polietileno-polipropilenglicol monodecil eter como un surfactante no ionico (T) con un punto de turbidez inferior a 30°C, en particular inferior a 20°C, en un refrigerante (K), en particular agua desmineralizada, para refrigerar una disposicion de pilas de combustible (1).
  5. 5. Disposicion de pilas de combustible (1) que comprende varias unidades de electrodos de la membrana (3) 15 dispuestas entre placas bipolares (3a), as! como un circuito refrigerante (6) con un refrigerante (K), en particular con
    agua desmineralizada, para evacuar calor de la disposicion de pilas de combustible (1), caracterizada porque el refrigerante (K), para reducir la tension superficial de las placas bipolares, contiene un surfactante no ionico (T) con un punto de turbidez inferior a 30°C, en particular inferior a 20°C, donde el surfactante (T) es polietileno- polipropilenglicol monodecil eter.
    20 6. Disposicion de pilas de combustible (1) segun la reivindicacion 5, la cual comprende un conducto de alimentation
    (8) para el surfactante no ionico (T), el cual desemboca en el circuito refrigerante (6).
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