ES2643439T3 - Celda electroquímica que tiene una configuración de sello en cascada y recuperación de hidrógeno - Google Patents

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Description

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DESCRIPCION
Celda electroqulmica que tiene una configuration de sello en cascada y recuperation de hidrogeno
Esta solicitud reivindica el beneficio de la solicitud provisional estadounidense No. 61/770,538, presentada el 28 de febrero de 2013.
Campo tecnico
La presente divulgation esta dirigida a una celda electroqulmica y mas especlficamente a una celda electroqulmica que tiene una configuracion de sello en cascada y esta configurada para recuperacion de hidrogeno.
Antecedentes
Las celdas electroqulmicas que usualmente se clasifican como celdas de combustible o celdas de electrolisis son dispositivos que se usan para generar corriente a partir de reacciones qulmicas o para inducir una reaction qulmica usando un flujo de corriente. Una celda de combustible convierte la energla qulmica de un combustible (por ejemplo hidrogeno, gas natural, metanol, gasolina, etc.) y un oxidante (aire u oxlgeno) en electricidad y productos residuales de calor y agua. Una celda de combustible basica comprende un anodo cargado negativamente, un catodo cargado positivamente y un material que conduce iones y que se llama electrolito.
Diferentes tecnologlas de celda de combustible utilizan diferentes materiales de electrolito. Una celda de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM), por ejemplo, utiliza una membrana polimerica conductora de iones en calidad de electrolito. En una celda de combustible PEM de hidrogeno, los atomos de hidrogeno pueden disociarse electroqulmicamente en electrones y protones (iones de hidrogeno) en el anodo. Los electrones fluyen a traves del circuito hacia el catodo y generan electricidad, mientras que los protones se difunden a traves de la membrana de electrolito hacia el catodo. En el catodo, los protones de hidrogeno pueden reaccionar con electrones y oxlgeno (suministrado al catodo) para producir agua y calor.
Una celda de electrolisis representa una celda de combustible que se opera a la inversa. Una celda de electrolisis basica puede funcionar como un generador de hidrogeno descomponiendo agua en hidrogeno y oxlgeno gaseosos cuando se aplica un potencial electrico externo. La tecnologla basica de una celda de combustible de hidrogeno o una celda de electrolisis puede aplicarse a la manipulation electroqulmica de hidrogeno, tal como la compresion, compresion, purification o expansion electroqulmicas de hidrogeno.
Un compresor electroqulmico de hidrogeno (EHC), por ejemplo, puede usarse para transferir selectivamente hidrogeno desde un lado de una celda a otro. Un EHC puede comprender una membrana de intercambio de protones en sandwich entre un primer electrodo (es decir, un anodo) y un segundo electrodo (es decir, un catodo). Un gas que contiene hidrogeno puede contactar el primer electrodo y puede aplicarse una diferencia de potencial electrico entre el primero y el segundo electrodo. En el primer electrodo, las moleculas de hidrogeno pueden oxidarse y la reaccion puede producir dos electrones y dos protones. Los dos protones son impulsados electroqulmicamente a traves de la membrana al segundo electrodo de la celda, donde se unen de nuevo por dos electrones redirigidos y se reducen para formar una molecula de hidrogeno. Las reacciones que tienen lugar en el primer electrodo y en el segundo electrodo pueden expresarse con ecuaciones qulmicas, tal como se muestra a continuation.
Reaccion de oxidation del primer electrodo: H2 ^ 2H+ + 2e-
Reaccion de reduction del segundo electrodo: 2H+ + 2e- ^ H2
Reaccion electroqulmica total: H2 ^ H2
Los EHCs que operan de esta manera a veces se denominan bombas de hidrogeno. Cuando el hidrogeno acumulado en el segundo electrodo se restringe a un espacio confinado, la celda electroqulmica comprime el hidrogeno o eleva la presion. La presion maxima o velocidad de flujo que una celda individual es capaz de producir puede limitarse con base en el diseno de la celda.
Para lograr compresion mayor o una presion mas alta, pueden conectarse celdas multiples en serie para formar un EHC de multiples etapas. En un EHC de multiples etapas, la ruta de flujo del gas puede configurarse, por ejemplo, de modo que el gas de salida comprimido de la primera celda puede ser el gas de entrada de la segunda celda. De modo alternativo, las celdas de etapa individual pueden conectarse en paralelo para incrementar la capacidad de rendimiento (es decir, velocidad de flujo total de gas) de un EHC. En un EHC tanto de etapa individual como de etapas multiples las celdas pueden apilarse y cada celda puede incluir un catodo, una membrana de electrolito y un anodo. Cada montaje de catodo/membrana/anodo constituye un “montaje de electrodo de membrana”, o “MEM”, que normalmente esta soportado en ambos lados por placas bipolares. En adicion a un suministro de soporte mecanico, las placas bipolares separan flsicamente las celdas individuales en una pila mientras que las conecta electricamente. Las placas bipolares tambien actuan como colectores/conductores, y proporcionan canales para el combustible. Tlpicamente, las placas
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bipolares estan hechas de metales, por ejemplo acero inoxidable, titanio, etc., y de conductores electricos no metales, por ejemplo, grafito.
La manipulacion electroqulmica de hidrogeno ha surgido como una alternativa viable a los sistemas mecanicos que se han usado tradicionalmente para el manejo del hidrogeno. La comercializacion exitosa del hidrogeno como portador de energla y sostenibilidad a largo plazo de una “economla de hidrogeno” depende en gran parte de la eficiencia y de la efectividad en costes de las celdas de combustible, celdas de electrolisis y otros sistemas de manipulacion/manejo de hidrogeno (es decir, EHCs). El hidrogeno gaseoso es una forma conveniente y comun de almacenamiento de energla, usualmente mediante contencion presurizada. De manera ventajosa, almacenar hidrogeno a alta presion produce alta densidad de energla.
La compresion mecanica es un medio tradicional para lograr compresion. Sin embargo, existen desventajas a la compresion mecanica. Por ejemplo, el uso de energla sustancial, el desgaste y la rasgadura de partes, el ruido excesivo, el equipo voluminoso y el debilitamiento del hidrogeno. La presurizacion mediante ciclos termicos es una alternativa a la compresion mecanica pero como en la compresion mecanica, el uso de energla es sustancial. En contraste, la compresion electroqulmica es silenciosa, escalable, modular y puede lograr alta eficiencia energetica.
Un reto para la compresion electroqulmica de hidrogeno es la preocupacion por la seguridad respecto del gas hidrogeno presurizado. El hidrogeno gaseoso es extremadamente inflamable y a presion alta el hidrogeno gaseoso plantea problemas de seguridad. Una preocupacion mayor puede incluir las fugas o la liberacion no intencionada de gas a alta presion desde el compresor electroqulmico. Una liberacion catastrofica puede generar un riesgo de seguridad.
Ademas, incluso una pequena fuga que puede no crecer al nivel de una preocupacion significativa de seguridad, reduce no obstante la eficiencia del compresor electroqulmico. Por lo tanto, existe una necesidad de impedir o reducir la fuga de hidrogeno.
La publication US-A1-2009/0075134 se refiere a una pila de celdas de combustible que comprende un segundo conjunto separador metalico para tener una dimension externa mas grande que un primer separador metalico, en cuyo caso el segundo separador metalico comprende, formado integralmente, un primer miembro de sello en contacto con el borde periferico de una primera estructura de membrana de electrolito/electrodo, un segundo miembro de sello en contacto con el borde periferico del primer separador metalico y un tercer miembro de sello en contacto con el borde periferico de un cuarto separador metalico colindante.
Resumen
En consideration de las circunstancias antes mencionadas, la presente divulgation se dirige a una celda electroqulmica que tiene una configuration de sello en cascada, construida para limitar la fuga no intencionada de hidrogeno desde la celda. Adicionalmente, la configuracion de sello en cascada puede permitir la recoleccion y el reciclaje del hidrogeno fugado desde la celda.
Un aspecto de la presente divulgacion se dirige a una celda electroqulmica tal como se expone en la revindication 1.
En otra forma de realization, la celda electroqulmica puede comprender ademas un tercer sello que define una zona de baja presion, configurada para contener un tercer fluido dentro de la zona de baja presion, en cuyo caso el segundo sello se configura para filtrar el segundo fluido a la zona de baja presion cuando se retira el segundo sello. En otra forma de realizacion, el primer sello puede contenerse dentro del segundo sello y el segundo sello se contiene con el tercer sello. En otra forma de realizacion, el primer fluido puede estar a una presion mas alta que el segundo fluido y el segundo fluido se encuentra a una presion mas alta que el tercer fluido. En otra forma de realizacion, el primer sello, el segundo sello y el tercer sello pueden tener una section transversal generalmente rectangular.
En otra forma de realizacion, el grosor del tercer sello puede ser mas grande que el del segundo sello y el grosor del segundo sello es mas grande que el del primer sello. En otra forma de realizacion, el primer sello, el segundo sello y el tercer sello pueden tener una seccion transversal generalmente circular. En otra forma de realizacion, el primer fluido puede ser hidrogeno a alta presion, el segundo fluido puede ser hidrogeno a presion mas baja y el tercer fluido puede ser un fluido refrigerante. En otra forma de realizacion, el tercer fluido puede ser nitrogeno y la zona de baja presion incluye una manta de nitrogeno que rodea la celda electroqulmica, configurada para detectar una fuga de al menos uno del primer fluido y del segundo fluido desde dentro de la celda electroqulmica. En otra forma de realizacion, la presion del tercer fluido puede ser monitoreada, y un incremento en la presion indica el retiro de al menos el segundo sello.
En otra forma de realizacion, la celda electroqulmica puede configurarse para apagarse antes que el tercer fluido alcance una presion a la cual se retire el tercer sello. En otra forma de realizacion, el primer sello, el segundo sello y el tercer sello dentro del par de placas bipolares pueden configurarse para permanecer en su sitio previniendo la fuga del primer fluido, del segundo fluido y del tercer fluido cuando una fuerza de cierre que se aplica al par de placas bipolares es mas grande que la fuerza de abertura dentro del par de placas bipolares. En otra forma de realizacion, el primer sello puede configurarse para retirarse antes que el segundo sello o el tercer sello, lo que causa que el primer fluido se filtre mas alla del primer sello a la zona de presion intermedia cuando una fuerza de cierre que se aplica al par de placas
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bipolares se aproxima a una fuerza de abertura dentro del par de placas bipolares, lo cual causa una primera separacion del par de placas bipolares. En otra forma de realizacion, el segundo sello puede configurarse para retirarse, lo que causa que el segundo fluido se filtre mas alla del segundo sello hacia la zona de baja presion cuando la fuerza de cierre sigue aproximandose a la fuerza de abertura, lo que causa una segunda separacion del par de placas bipolares.
En otra forma de realizacion, el primer fluido que se filtra a la zona de presion intermedia se combina con el segundo fluido y puede reciclarse. En otra forma de realizacion, el segundo fluido se filtra a la zona de presion baja y el segundo fluido se combina con el tercer fluido y fluye fuera de la celda electroqulmica y puede recuperarse. En otra forma de realizacion, la celda electroqulmica puede configurarse para recibir una fuerza de cierre aplicada al par de placas bipolares, en cuyo caso la fuerza de cierre es ajustable durante la operacion de la celda electroqulmica con base en la presion de la zona de presion baja, la zona de presion intermedia y la zona de presion alta. En otra forma de realizacion, la celda electroqulmica puede comprender ademas un par de sellos secundarios, localizados afuera del primer sello y dentro del segundo sello, en cuyo caso el par de sellos secundarios definen dos zonas secundarias de alta presion en comunicacion fluida con la zona de presion alta. En otra forma de realizacion, al menos una de las placas bipolares puede incluir una pluralidad de componentes y utiliza una configuracion de sello en cascada entre la pluralidad de componentes.
En un ejemplo, una celda electroqulmica comprende: un par de placas bipolares y un montaje de electrodo de membrana que se localiza entre el par de placas bipolares, una zona de alta presion localizada entre las placas bipolares que contienen un primer fluido; una zona de presion intermedia localizada entre las placas bipolares que contienen un segundo fluido; y una zona de baja presion que contiene un tercer fluido; en cuyo caso la celda electroqulmica se configura para hacer transicion entre una primera configuracion, una segunda configuracion y una tercera configuracion con base en al menos una fuerza entre la fuerza de cierre aplicada a las placas bipolares y la fuerza de abertura producida por una presion de al menos uno entre el primer fluido, el segundo fluido y el tercer fluido.
En otro ejemplo, la primera configuracion puede proporcionar sustancialmente que no haya fuga de fluido entre la zona de alta presion, las zonas de presion intermedia y la zona de baja presion; la segunda configuracion puede proporcionar que haya fuga de una porcion del primer fluido desde la zona de alta presion a la zona de presion intermedia; y la tercera configuracion puede proporcionar que haya fuga de una porcion del primer fluido desde la zona de alta presion a la zona de presion intermedia y fuga de una porcion del segundo fluido desde la zona de presion intermedia a la zona de baja presion. En otro ejemplo, la celda electroqulmica puede comprender ademas un aparato de recuperacion de hidrogeno en comunicacion fluida con la zona de baja presion de la celda electroqulmica, en cuyo caso el aparato de recuperacion de hidrogeno esta configurado para recuperar la porcion del segundo fluido filtrado a la zona de baja presion y reintroduce el segundo fluido recuperado a la zona de presion intermedia de la celda electroqulmica.
En otro ejemplo, puede monitorearse la presion del tercer fluido en la zona de baja presion y un incremento en la presion del tercer fluido involucra el aparato de recuperacion de hidrogeno. En otro ejemplo, la zona de alta presion puede estar contenida dentro de la zona de presion intermedia y la zona de presion intermedia puede estar contenida dentro de la zona de baja presion. En otro ejemplo, la celda electroqulmica puede comprender ademas un primer sello configurado para contener el primer fluido en la zona de presion alta, un segundo sello configurado para contener el segundo fluido en la zona de presion intermedia, y un tercer sello configurado por contener el tercer fluido en la zona de presion baja. En otro ejemplo, la segunda configuracion puede incluir una primera separacion entre las placas bipolares y la tercera configuracion incluye una segunda separacion mayor a la primera separacion entre las placas bipolares.
Otro aspecto de la presente divulgacion se dirige a un metodo para afinar la fuerza de cierre de una celda electroqulmica que tiene una configuracion de sello en cascada y el metodo comprende: proporcionar una celda electroqulmica que tiene una pluralidad de sellos en una configuracion de sello en cascada; aplicar una fuerza de cierre inicial a la celda electroqulmica con base en la presion de operacion esperada; operar la celda electroqulmica; monitorear la presion de la celda electroqulmica; y ajustar la fuerza de cierre aplicada a la celda electroqulmica con base en la presion monitoreada.
En otro ejemplo, una placa bipolar para una celda electroqulmica comprende al menos dos componentes, un primer sello que define una zona de presion alta, en la cual el primer sello se localiza entre los componentes y se configura para contener un primer fluido dentro de la zona de alta presion, un segundo sello que define una zona de presion intermedia que comprende volumen de presion intermedia y puertos de presion intermedia, en cuyo caso el segundo sello se localiza entre los componentes y se configura para contener un segundo fluido dentro de la zona de presion intermedia, y el primer sello se configura para filtrar el primer fluido a la zona de presion intermedia cuando el primer sello falla y el primer fluido puede recolectarse en el volumen de presion intermedia y se descarga desde los puertos de presion intermedia.
En otro ejemplo, una celda electroqulmica comprende un par de placas bipolares y un montaje de electrodo de membrana que se localiza entre el par de placas bipolares y una primera configuracion de sello en cascada entre el par de placas bipolares, en cuyo caso cada placa bipolar comprende al menos dos componentes y una segunda configuracion de sello en cascada entre los al menos dos componentes.
Debe entenderse que tanto la description general anterior como la description detallada siguiente son ejemplares y explanar dias solamente y no son restrictivas de la divulgation, tal como se reivindica.
Breve descripcion de los dibujos
Los dibujos acompanantes que se incorporan y constituyen una parte de esta especificacion ilustran formas de 5 realization de la presente divulgacion y junto con la descripcion sirven para explicar los principios de la divulgacion.
FIG. 1 es una vista lateral de parte de una celda electroquimica que muestra diversos componentes de una celda electroquimica.
FIG. 2A es una vista frontal de parte de una celda electroquimica que muestra los diversos sellos y zonas de presion de la celda, de acuerdo con una forma ejemplar de realizacion.
10 FIG. 2B es una vista frontal de una parte de una celda electroquimica que muestra los diversos sellos y la zona de presion de la celda, de acuerdo con una forma ejemplar de realizacion.
FIG. 3A es una vista de corte transversal de parte de una celda electroquimica, de acuerdo con una forma ejemplar de realizacion.
FIG. 3B es una vista de corte transversal de parte de una celda electroquimica que muestra diversas fuerzas, de
15 acuerdo con una forma ejemplar de realizacion.
FIG. 4A es una vista de corte transversal de parte de una celda electroquimica que muestra una primera configuration,
de acuerdo con una forma ejemplar de realizacion
FIG. 4B es una vista de corte transversal de parte de una celda electroquimica que muestra una segunda configuracion, de acuerdo con una forma ejemplar de realizacion.
20 FIG. 4C Es una vista de corte transversal de parte de una celda electroquimica que muestra una tercera configuracion, de acuerdo con una forma ejemplar de realizacion.
FIG. 5 es un diagrama esquematico que muestra un sistema electroquimico de recuperation de hidrogeno, de acuerdo con una forma ejemplar de realizacion.
FIG. 6 es un diagrama de flujo que ilustra un metodo para controlar la presion dentro de una celda electroquimica, de 25 acuerdo con una forma ejemplar de realizacion.
FIG. 7 es una vista frontal de parte de una celda electroquimica que muestra los diversos sellos y zonas de presion de la celda, de acuerdo con otra forma de realizacion.
FIG. 8 es una vista isometrica de una placa bipolar de dos piezas, de acuerdo con una forma ejemplar de realizacion. Descripcion de las formas de realizacion
30 Ahora se hara referencia en detalle a las presentes formas ejemplares de realizacion de la presente divulgacion, cuyos ejemplos se ilustran en los dibujos acompanantes. Cuando es posible, los mismos numeros de referencia se usaran en todos los dibujos para referirse a las mismas partes o similares. Aunque se describe en relation con una celda electroquimica que emplea hidrogeno, se entiende que los dispositivos y metodos de la presente divulgacion pueden emplearse con diversos tipos de celdas de combustible y celdas electroquimicas que incluyen, pero no se limitan a 35 celdas de electrolisis, purificadores de hidrogeno, expansores de hidrogeno y compresores de hidrogeno.
La FIG. 1 muestra una vista lateral despiezada de una celda electroquimica 100, de acuerdo con una forma ejemplar de realizacion. La celda electroquimica 100 puede comprender un anodo 110, un catodo 120 y una membrana de intercambio de protones (PEM) 130 dispuesta entre el anodo 110 y el catodo 120. El anodo 110, el catodo 120 y la PEM 130 combinados pueden comprender un montaje de electrodo de membrana (MEM) 140. La PEM 130 puede 40 comprender una membrana de polimero puro o una membrana de material composite donde el otro material, por ejemplo silice, heteropoliacidos, fosfatos de metal en capas, fosfatos y fosfato de zirconio pueden estar incrustados en una matriz polimerica. La PEM 130 puede ser permeable a protones mientras que no a electrones conductores. El anodo 110 y el catodo 120 pueden comprender electrodos de carbon poroso que contienen una capa de catalizador. El material catalizador, por ejemplo platino, puede incrementar la reaction de combustible.
45 La celda electroquimica 100 puede comprender ademas dos placas bipolares 150, 160. Las placas bipolares 150, 160 pueden actuar como placas de soporte, conductores, proporcionar canales para las superficies de electrodo respectivas para el combustible y proporcionar canales para retirar el combustible comprimido. Las placas bipolares 150, 160 tambien pueden incluir canales de acceso para fluido refrigerante (es decir, agua, glicol o mezclas de agua y glicol). Las
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placas bipolares pueden estar hechas de aluminio, acero, acero inoxidable, titanio, cobre, aleaciones de Ni-Cr, grafito o cualquier otro material electricamente conductor. Las placas bipolares 150, 160 pueden separar la celda electroqulmica 100 de las celdas vecinas en una pila electroqulmica (no mostrado). Por ejemplo, las celdas electroqulmicas 100 multiples pueden estar conectadas en serie para formar un compresor electroqulmico de hidrogeno (EHC) o apilarse en paralelo para formar un EHC de etapa individual.
Durante la operacion, de acuerdo con una forma ejemplar de realization, el gas de hidrogeno puede suministrarse al anodo 110 a traves de la placa bipolar 150. Puede aplicarse un potencial electrico entre el anodo 110 y el catodo 120, en cuyo caso el potencial en el anodo 110 es superior al potencial en el catodo 120. El hidrogeno en el anodo 110 puede oxidarse, lo cual causa que el hidrogeno se disocie en electrones y protones. Los protones se transportan de modo electroqulmico, o se "bombean", a traves del PEM 130 mientras que los electrones se redirigen alrededor de PEM 130. En el catodo 120 en el lado opuesto de PEM 120, los protones transportados y los electrones redirigidos se reducen para formar hidrogeno. A medida que se forma mas y mas hidrogeno en el catodo 120, el hidrogeno puede comprimirse y presurizarse dentro de un espacio confinado.
Dentro de la celda electroqulmica 100, una pluralidad de diferentes zonas de presion y una pluralidad de sellos pueden definir una o mas diferentes zonas de presion. La FIG. 2A muestra la pluralidad de diferentes sellos y zonas de presion dentro de la celda electroqulmica 100. Tal como se muestra en la FIG. 2A, la pluralidad de sellos puede incluir un primer sello 171, un segundo sello 181 y un tercer sello 191. El primer sello 171 puede contenerse enteramente dentro del segundo sello 181 y el segundo sello 181 puede contenerse enteramente dentro del tercer sello 191. Adicionalmente, la pluralidad de sellos puede incluir ademas primeros sellos secundarios 175, 176. Un sello secundario 175 y 176 puede estar en la parte de fuera del primer sello 171, pero dentro del segundo sello 181.
El primer sello 171 puede definir una zona de alta presion 170 y puede configurarse para contener un primer fluido 172 (por ejemplo hidrogeno). Dentro de una zona de alta presion 170. Un primer sello 171 puede delimitar las fronteras externas de la zona de alta presion 170. La zona de alta presion 170 puede corresponder al lado del catodo de alta presion 120 de PEM 130. El hidrogeno formado en el catodo 130 puede recolectarse en la zona de alta presion 170 y contenerse por el primer sello 171. El hidrogeno dentro de la zona de alta presion 170 puede comprimirse y, como resultado, experimentar un incremento en presion a medida que se forma mas y mas hidrogeno en la zona de alta presion 170. El hidrogeno en la zona de alta presion 170 puede comprimirse a una presion superior a 15 000 psi.
Los primeros sellos secundarios 175, 176 pueden definir dos zonas 177, 178 secundarias de alta presion que pueden estar en comunicacion fluida con una zona de alta presion 170. Las zonas secundarias de alta presion 177, 178 pueden ser canales comunes que estan configurados para descargar el primer fluido 172 desde la zona de alta presion 170. Las zonas secundarias de alta presion 177, 178 pueden estar en comunicacion fluida con canales comunes de una celda electroqulmica adyacente en un compresor electroqulmico de celdas multiples.
El segundo sello 181 puede definir una zona de presion intermedia 180 y puede configurarse para contener un segundo fluido 182 dentro de la zona de presion intermedia 180. El segundo sello 181 puede delimitar las fronteras externas de la zona de presion intermedia 180. La zona de presion intermedia 180 puede corresponder al lado del anodo de presion baja 110 del PEM 130. El segundo fluido 182 (por ejemplo, hidrogeno o mezcla gaseosa que contiene hidrogeno) suministrado al anodos 110 puede contenerse en una zona de presion intermedia 180 por un segundo sello 181 hasta que se oxida y se "bombea" a traves de PEM 130 al catodo 120 y la zona de alta presion 170. El segundo fluido 182 dentro de la zona de presion intermedia 120 puede variar con base en la presion que se esta suministrando. En cualquier caso, generalmente el segundo fluido 182 en la zona de presion intermedia 180 puede ser de presion mas baja que el primer fluido 172 en la zona de alta presion 170.
El tercer sello 191 puede definir una zona de baja presion 190 y configurarse para contener un tercer fluido 192 dentro de la zona de baja presion 190. Este sello 191 puede delimitar las fronteras externas de la zona de baja presion 190. La zona de baja presion 190 puede comprender canales de fluido refrigerante y el tercer fluido 192 puede comprender fluido refrigerante. El fluido refrigerante puede incluir agua, glicol o combination de los mismos. En un sistema de alta temperatura puede usarse aceite como fluido refrigerante. El tercer fluido 192 puede mantenerse generalmente a una presion menor a la presion del segundo fluido 182 en la zona de presion intermedia 180 y el primer fluido 172 en la zona de alta presion 170. La zona de presion baja 190 puede incluir un canal de entrada y un canal de salida (no mostrados), configurados para que el tercer fluido 192 pueda circular a traves de la zona de presion baja 190.
En una forma de realizacion alterna, tal como se muestra en la FIG. 2B, la zona de baja presion 190 puede localizarse no dentro de la celda electroqulmica 100, sino mas bien en el area circundante de la celda electroqulmica 100 o una pluralidad de celdas que forman una pila. Por ejemplo, la zona de baja presion 190 puede contener nitrogeno 192 que forma una manta de nitrogeno que rodea la celda electroqulmica 100 o, en otras formas de realizacion, que rodea una pila de celdas.
La FIG. 3A muestra una vista de corte transversal de una celda electroqulmica 100 a lo largo del plano A de la FIG. 2A. Tal como se describe en la FIG. 2A, la celda electroqulmica 100 puede comprender MEM 140 y placas bipolares 150, 160. Entre las placas bipolares 150, 170 puede estar un primer sello 171 que define una zona de alta presion 170, un segundo sello 181 que define una zona de presion intermedia 180 y un tercer sello 191 que define una zona de baja
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presion 190. En la FIG. 3A, el primer sello 171, el segundo sello 181, y el tercer sello 191 puede mostrarse, cada uno, como dos cortes transversales separados de un sello continuo individual, como se ha mostrado previamente en la FIG. 2A.
Tal como se ha mostrado en la FIG. 3A, el primer sello 171 puede posicionarse contra un primer arcen 173. El primer arcen 173 puede configurarse para mantener la posicion del primer sello 171 a medida que la presion puede formarse dentro de la zona de alta presion 170. La presion dentro de la zona de alta presion 170 puede aplicar una fuerza hacia fuera contra el primer sello 171. La altura del primer arcen 173 puede estar en un intervalo de aproximadamente 98% a aproximadamente 25% del grosor no comprimido del primer sello 171.
En la forma de realizacion particular mostrada en la FIG. 3A, no hay un arcen localizado interiormente en el primer sello 171. La ausencia de un arcen interior, tal como se muestra en la FIG. 3A, puede permitir que el primer sello 171 se combine, se una, se conecte, o se integre a MEM 140 o una porcion del mismo. Al tener el primer sello 171 integrado al MEM 140, puede facilitarse un montaje consistente, eficiente y simplificado de la celda electroqulmica 100. Sin embargo, formas de realizacion alternas, puede posicionarse un arcen adicional en el interior del primer sello 171 que puede configurarse para crear una ranura en la cual puede posicionarse el primer sello 171.
Nuevamente en referencia a la FIG. 3A, el segundo sello 181 puede posicionarse en una segunda ranura 183 formada entre dos arcenes en la placa bipolar 160. En el interior de la segunda ranura 183 y el segundo sello 181 puede estar la zona de presion intermedia 180 y en el exterior de la segunda ranura 183 y el segundo sello 181 puede estar la zona de baja presion 190. La profundidad de la segunda ranura 183 puede estar en un intervalo desde aproximadamente 98% a aproximadamente 25% del grosor no comprimido del segundo sello 181.
El tercer sello 191 tal como se muestra en la FIG. 3A, puede posicionarse en una tercera ranura 193 que se forma entre dos arcenes en una placa bipolar 160. En el interior de la tercera ranura 193 y el tercer sello 191 puede estar una zona de baja presion 190 y en el exterior de la tercera ranura 193 y el tercer sello 191 puede estar el ambiente circundante de la celda electroqulmica 100. La profundidad de la tercera ranura 193 puede estar en un intervalo desde aproximadamente 98% a aproximadamente 25% del grosor no comprimido del tercer sello 191.
Durante el montaje del primer sello 171, del segundo sello 181 y del tercer sello 191 entre las placas bipolares 150, 160 puede comprimirse en un porcentaje predeterminado de su grosor no comprimido mediante la selection de la altura apropiada de sus arcenes 173 respectivos o la profundidad de sus ranuras 183 y 193 respectivas. El primer arcen 173 y los arcenes que forman la segunda ranura 183 y la tercera ranura 193 pueden actuar como un tope, tal como se muestra en la FIG. 3A, para una placa bipolar 150. Actuando como un tope, puede reducirse la posibilidad de sobre- comprimir los sellos. La elevation del primer arcen 173 y los arcenes que forman la segunda ranura 183 y la tercera ranura 193 puede ser igual de manera tal que la placa bipolar 150 pueda hacer contacto con todas las superficies del arcen de la placa bipolar 160 de una vez cuando las superficies son paralelas.
En formas de realizacion alternas (no mostradas), la segunda ranura 183 y la tercera ranura 193 pueden formarse en la placa bipolar 150 antes que en la placa bipolar 160. En otra forma de realizacion, la segunda ranura 183 puede formarse en cualquier placa bipolar 150, 170 mientras que la tercera ranura 193 se forma en la otra placa. En otra forma de realizacion, las porciones de la segunda ranura 183 y la tercera ranura 193 pueden formarse en ambas placas bipolares 150, 160.
La segunda ranura 183 y la tercera ranura 193 pueden tener una geometrla de corte transversal que corresponde a la forma del segundo sello 181 y del tercer sello 191. Por ejemplo, la geometrla del corte transversal del sello y de la ranura puede ser un cuadrado, un rectangulo, un triangulo, un pollgono, un clrculo o un ovalo. En diversas formas de realizacion, el ancho del segundo sello 181 y del tercer sello 191 puede ser menor a la ranura correspondiente. El espacio adicional en las ranuras puede permitir la expansion y la contraction de los sellos, causadas por cambio de temperatura, cambio de presion de los gases internos y cambio de presion de la compresion de placa bipolar. Tal como se muestra en la FIG. 3A, los sellos pueden forzarse normalmente hacia fuera, a la posicion mas externa dentro de las ranuras debido a que los sellos experimentan una presion mas alta desde el lado interior versus el lado exterior.
En otras formas de realizacion, la profundidad de las ranuras (por ejemplo la segunda ranura 183 y la tercera ranura 193) puede reducirse a cero o eliminarse y el primer sello 171, el segundo sello 181 y el tercer sello 191 pueden formarse a partir de un material plano de tapon que puede cortarse en un patron de alargamiento que se configura para mantener la configuration de cascada. Por ejemplo, el primer fluido filtrado mas alla del primer sello 171 puede recolectarse en la zona de presion intermedia 180.
El primer sello 171, el segundo sello 181 y el tercer sello 191 pueden ser una tapa, un anillo O, u otro componente de sellado. El primer sello 171, el segundo sello 181 y el tercer sello 191 pueden estar hechos de un material de sellado elastomerico o polimerico, por ejemplo silicona EPDm (monomeros de etileno-propileno-dieno), fluoroelastomero, goma de nitrilo (Buna-N), PTFE (politetrafluoroetileno), polisulfonas, polieterimidas, sulfuros de poliquenileno, PEEK (polieter- eter-cetona), poliimida, pEt (tereftalato de polietileno), PEN (naftalato de polietileno), HDPE (polietileno de alta densidad), poliuretano, neopreno, acetal, nylon, tereftalato de polibutileno, NBR (goma de acrilonitrilo-butadieno), etc. el
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material de cada sello puede ser diferente del material de los otros sellos; el material puede ser el mismo para solo dos de los sellos o el material puede ser el mismo para todos los sellos.
Como el material, el grosor de cada sello puede ser diferente de los otros sellos. El grosor puede medirse a lo largo de un eje vertical (Y) de la celda electroqulmica 100. Tal como se muestra en la FIG. 3A, el grosor del segundo sello 181 es superior al grosor del primer sello 171 y el grosor del tercer sello 191 es superior al grosor del segundo sello 181. En consecuencia, el sello mas exterior, el tercer sello 191, puede tener el grosor mas grande y el sello mas interior, el primer sello 171, puede tener el grosor mas pequeno. Por ejemplo, el grosor del primer sello 171 puede estar en un intervalo entre aproximadamente 0.01 mm y aproximadamente 1.0 mm, el grosor del segundo sello 181 puede estar en el intervalo entre aproximadamente 0.02 mm y aproximadamente 2.0 mm, y el grosor del tercer sello 191 puede estar en el intervalo entre aproximadamente about 0.03 mm y 3.0 mm.
Para formas de realizacion en las cuales la geometrla del corte transversal del primer sello 171, del segundo sello 181 y el tercer sello 191 puede ser un clrculo o un ovalo, el grosor tal como se ha descrito antes puede referirse al diametro del clrculo o del ovalo del corte transversal.
Tal como se muestra en la FIG. 3B, durante la operacion de la celda electroqulmica 100 la presion del primer fluido 172, del segundo fluido 182 y del tercer fluido 192 que se aplica dentro de cada zona correspondiente entre las placas bipolares 150, 160 puede producir una fuerza de abertura 200. La fuerza de abertura 200 sin oposicion puede causar que se separe la placa bipolar 150, 160. Para impedir que la fuerza de abertura 200 separe las placas bipolares 150, 160, puede aplicarse una fuerza de cierre 210 a las placas para oponerse y superar la fuerza de abertura 200. Se entiende que la presion del primer fluido 172, del segundo fluido 182 y del tercer fluido 192 producirla mas fuerzas que aquellas representadas por la pluralidad de flechas que representan la fuerza de abertura 200. Por ejemplo, se producirlan fuerzas laterales (no mostrado) que son perpendiculares a la fuerza de abertura 200 as! como otras fuerzas que apuntan hacia fuera desde cada zona de presion en todas las direcciones posibles.
La FIG. 4A muestra un corte transversal de la celda electroqulmica 100 en una primera configuracion. La celda electroqulmica 100 puede mantener una primera configuracion cuando la fuerza de cierre 210 es suficiente para superar la fuerza de abertura 200 y mantener las placas bipolares 150, 160 sustancialmente juntas. Mientras, en una primera configuracion el primer sello 171, el segundo sello 181 y el tercer sello 191 pueden todos mantener contacto con las superficies de sello, tanto superiores como inferiores de la placa bipolar 150, 160, lo cual impide la fuga o la derivacion del primer fluido 172, del segundo fluido 182 o del tercer fluido 192. En esta situacion particular, todos los sellos estan desempenando su funcion.
Cuando la celda electroqulmica 100 se encuentra en la primera configuracion al como se ha descrito antes, puede variar la medicion real de la separacion entre las superficies de las placas bipolares 150, 160. Por ejemplo, las separacion puede estar en un intervalo desde aproximadamente 0,00 mm a aproximadamente 0,01 mm, hasta aproximadamente 0,05 mm, hasta aproximadamente 0,10 mm.
La FIG. 4B muestra un corte transversal de la celda electroqulmica 100 en una segunda configuracion. La celda electroqulmica 100 puede cambiar a la segunda configuracion cuando la fuerza de cierre 210 se reduce o la fuerza de abertura 200 se incrementa (por ejemplo, se incrementa la presion del primer fluido 172), lo que causa que las placas bipolares 150, 160 se separen. Tal como se muestra en la FIG. 4B, la primera separacion de las placas bipolares 150, 160 puede causar que el primer sello 171 se retire lo cual permite la derivacion del primer fluido 172 de la zona de alta presion 170 a la zona de presion intermedia 180. En la forma particular de realizacion que se muestra en la FIG. 4B, se muestra que el primer sello 171 se retira de la placa bipolar 160 primero, lo que permite el flujo del primer fluido 172 por debajo y alrededor del primer sello 171. Sin embargo, se entiende que en formas alternas de realizacion (no mostrado), el primer sello 171 puede retirarse de la placa bipolar 150 primero, lo que permite el flujo del primer fluido 172 por el primer sello 171, bordeando entre el primer sello 171 y MEM 140.
El flujo del primer fluido 172 desde la zona de alta presion 170 a la zona de presion intermedia 180 puede ser causada por el diferencial de presion entre el primer fluido 172 y el segundo fluido 182 y puede viajar a lo largo de la trayectoria de menor resistencia. El primer sello 171 puede configurarse para hacer el primero de los sellos en retirarse al tener un grosor menor al segundo sello 181 y al tercer sello 191. Esto puede permitir que el tercer sello 191 y el segundo sello 181 mantengan contacto con ambas superficies de sellado lo cual impide que el fluido borde cualquier sello a pesar de la primera separacion de las placas bipolares 150, 160 presentes en la segunda configuracion.
Cuando la celda electroqulmica 100 esta en la segunda configuracion tal como se ha descrito antes, puede variar la medicion real de la primera separacion que existe entre las placas bipolares 150, 160. Por ejemplo, la primera separacion puede estar en el intervalo de aproximadamente 0,01 mm a aproximadamente 0,05 mm, a aproximadamente 0,10 mm, a aproximadamente 0,25 mm.
La FIG. 4C muestra un corte transversal de celda electroqulmica 100 en una tercera configuracion. La celda electroqulmica 100 puede cambiar a la tercera configuracion cuando la fuerza de cierre 210 se reduce aun mas o la fuerza de abertura 200 se incrementa aun mas, lo que causa que las placas bipolares 150, 160 experimenten una segunda separacion. Tal como se muestra en la FIG. 4C, la segunda separacion de las placas bipolares 150, 160 puede
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causar que tanto el primer sello 171 como el segundo sello 181 se retiren lo cual permite la derivacion del primer fluido 172 desde la zona de alta presion 170 y del segundo fluido 182 desde la zona de presion intermedia 180 a la zona de baja presion 190. En la forma de realizacion particular que se muestra en la FIG. 4C, se muestra que el segundo sello 181 se retira de la placa bipolar 150 primero, lo cual permite el flujo del segundo fluido 182 por el segundo sello 181. Sin embargo, se entiende que en forma alternas de realizacion (no mostradas), el segundo sello 181 puede retirarse de la placa bipolar 160, primero, lo que permite el flujo del segundo fluido 182 por debajo y alrededor del segundo sello 181.
El flujo del segundo fluido 182 de la zona de presion intermedia 180 a la zona baja de presion 190 puede ser causado por la diferencial de presion entre el segundo fluido 182 y el tercer fluido 192. El segundo sello 181 puede configurarse para ser el segundo sello en retirarse por ser mas grueso que el primer sello 171, pero no tan grueso como el tercer sello 191. Por lo tanto, debido a que el tercer sello 191 puede ser mas grueso que ambos sellos, el primero 171 y el segundo 181, el tercer sello 191 puede mantener contacto con ambas superficies de sellado lo que impide el flujo de bordear a pesar de la segunda separacion de las placas bipolares 150, 160.
Cuando la celda electroqulmica 100 se encuentra en la tercera configuracion tal como se ha descrito antes, puede variar la medicion real de la segunda separacion. Por ejemplo, la segunda separacion puede encontrarse en el intervalo desde aproximadamente 0,05 mm a aproximadamente 0,25 mm, a aproximadamente 0,50 mm.
La celda electroqulmica 100 puede configurarse para una transicion desde la primera configuracion a la segunda configuracion y de la segunda configuracion a la tercera configuracion, con base en la magnitud variable de la fuerza de cierre 210 y la fuerza de abertura 200 durante la operacion. Ademas, la celda electroqulmica 100 tambien puede hacer transicion desde la tercera configuracion a la segunda configuracion y de la segunda configuracion a la primera configuracion, con base en la magnitud variable de la fuerza de cierre 210 y la fuerza de abertura 200. Se contempla que la transicion entre la primera configuracion, la segunda configuracion y la tercera configuracion puede ocurrir continuamente durante la operacion en respuesta a la magnitud variable de la fuerza de cierre 210 y la fuerza de abertura 200.
En otras formas de realizacion se contempla que el modulo de elasticidad de los sellos puede ser diferente en lugar del grosor de los sellos para permitir el retiro dispersado de los sellos. En todavla otra forma de realizacion, tanto el grosor como el modulo de elasticidad pueden variar.
La disposicion de los sellos tal como se ha descrito antes puede clasificarse como una configuracion de sello en cascada. La configuracion de sello en cascada puede proporcionar varias ventajas. Por ejemplo, la configuracion de sello en cascada puede limitar el potencial de que el hidrogeno a presion alta escape de la celda electroqulmica 100 proporcionando redundancia de sello en forma de tres niveles de proteccion de sellado. Reducir el potencial de fugas de hidrogeno puede beneficiar la seguridad y la eficiencia energetica.
Ademas, la configuracion de sello en cascada tambien puede permitir la autorregulacion de la presion. La autorregulacion de la presion puede lograrse debido a la disparidad en el grosor del sello y la retirada dispersada resultante del primer sello 171, del segundo sello 181 y del tercer sello 191. Por ejemplo, cuando la celda electroqulmica 100 esta en segunda configuracion tal como se muestra en la FIG. 4B, el primer sello 171 puede retirarse lo cual permite que el primer fluido 172 se filtre a una zona de presion intermedia 180. El primer fluido 172 que se filtra a la zona de presion intermedia 180 puede purgar la presion de la zona de alta presion 170. Purgando la presion de la zona de alta presion 170 puede reducirse la fuerza de abertura 200. La disminucion de la fuerza de abertura 200 puede permitir que se reverse la primera separacion de las placas bipolares 150, 160 lo que causa la transicion de la celda electroqulmica 100 desde la segunda configuracion a la primera configuracion y el retiro del primer sello 171.
El primer fluido 172 que se filtra por el primer sello 171 puede combinarse con el segundo fluido 182 y utilizarse por la celda electroqulmica 100; en efecto, el primer fluido 172 fugado puede reciclarse. Una consecuencia de esta fuga y del reciclado subsiguiente puede ser una perdida en la eficiencia de compresion porque el hidrogeno fugado se "bombea" dos veces a traves de PEM. Sin embargo, la perdida potencial en eficiencia de compresion es aun menor de lo que serla la perdida total en eficiencia si el hidrogeno fugado no se recuperara y en lugar se filtrara al exterior de la celda electroqulmica 100 y se perdiera.
En el evento que purgar la presion de la zona de alta presion 170 no sea suficiente para causar la transicion desde la segunda configuracion a la primera configuracion, puede ocurrir la segunda separacion lo que causa que la celda electroqulmica haga transicion desde la segunda configuracion a la tercera configuracion. En la tercera configuracion, tal como se muestra en la FIG. 4C, la segunda separacion de las placas bipolares 150, 160 puede causar que el segundo sello 181 se retire, lo que permite al segundo fluido 182 filtrarse a la zona de baja presion 190. El segundo fluido 182 que se filtra a la zona de baja presion 190 puede purgar presion desde la zona de presion intermedia 180. Purgando presion desde la zona de presion intermedia 180, puede reducirse aun mas la fuerza de abertura 200. La calda en la fuerza de abertura 200 puede permitir que se reverse la segunda separacion de las placas bipolares 150, 160 lo que causa la transicion de la celda electroqulmica 100 desde la tercera configuracion a la segunda configuracion y el retiro de al menos el segundo sello 181.
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La consecuencia de purgar el segundo fluido 182 desde la zona de presion intermedia 180 a la zona de presion baja 190 puede ser una perdida de eficiencia de la celda. Sin embargo, un beneficio puede ser reducir la posibilidad de que el segundo fluido 182 (es decir el hidrogeno gaseoso) se escape de la celda electroqulmica 100.
En diversas formas de realizacion, puede monitorearse la presion del tercer fluido 192 en la zona de baja presion 190. El retiro del segundo sello 181 puede dar lugar a un incremento de presion en la zona de baja presion 190 causada por la purga de la presion del segundo fluido 182 a la zona de baja presion 190. Por lo tanto, monitoreando la presion del tercer fluido 192 puede detectarse el retiro del segundo sello 181 y la fuga del segundo fluido 182. Ademas, la celda electroqulmica 100 puede configurarse para apagarse antes que la presion en la zona de baja presion 190 alcance una presion crltica. La presion crltica puede ajustarse solo por debajo de la presion a la cual el tercer sello 191 se retirarla, lo que permitirla que el primer fluido 172, el segundo fluido 182 y el tercer fluido 192 escaparan de la celda electroqulmica 100. En otra forma de realizacion, la composicion del tercer fluido 192 puede monitorearse para detectar la presencia de un fluido extrano (por ejemplo, el primer fluido 172 o el segundo fluido 182). Puede usarse un sensor de deteccion (por ejemplo, un sensor de hidrogeno) para detectar la presencia de fluido extrano en la zona de baja presion 190.
El monitoreo de presion puede llevarse a cabo de una variedad de maneras. Por ejemplo, podrla configurarse un transmisor de presion para leer la presion en la zona de baja presion 190 y cuando la presion alcance el punto establecido de la presion crltica, el potencial electrico hacia el anodo 110 y el catodo 120 podrla apagarse para prevenir que mas hidrogeno se "bombee” a traves de PEM 130.
En otras formas de realizacion, tambien puede monitorearse la presion del segundo fluido 182 en la zona de presion intermedia 180 y el primer fluido 192 en la zona de alta presion 190. Por ejemplo, monitorear la presion del segundo fluido 182 puede permitir que la celda se apague antes que la presion alcance el punto donde el segundo sello 181 podrla retirarse.
En diversas formas de realizacion, cuando el primer fluido 172 o el segundo fluido 182 (por ejemplo, hidrogeno de alta o de baja presion) se purga hacia la zona de baja presion 190, puede combinarse con el tercer fluido 192 (por ejemplo, fluido refrigerante) y puede transportarse fuera de la zona de baja presion 190 mediante la circulation del tercer fluido 192.
La FIG. 5 muestra un sistema electroqulmico de recuperation de hidrogeno (EHRS) 500, segun una forma ejemplar de realizacion. EHRS 500 puede comprender una celda electroqulmica 100 tal como se ha descrito antes que tiene una configuration de sello en cascada. Ademas de la celda electroqulmica 100, EHRS 500 puede comprender un aparato 510 de recuperacion de hidrogeno. El aparato 510 puede estar en comunicacion fluida con la zona de baja presion 190 y la zona de presion intermedia 180 de la celda electroqulmica 100. El aparato 510 puede recibir el tercer fluido 192 que se descarga de la zona de baja presion 190 y puede configurarse para recuperar al menos una portion de cualquier segundo fluido 182 contenido en el tercer fluido 192. Despues que el tercer fluido 192 pasa a traves del aparato 510 de recuperacion de hidrogeno, el tercer fluido puede re-suministrarse a la zona de baja presion 190. Cualquier segundo fluido 182 recuperado del tercer fluido 192 por parte del aparato 510 de recuperacion de hidrogeno puede introducirse nuevamente a la zona de presion intermedia 180 por medio de una llnea 520 de reciclaje que se configura para conectar fluidamente el aparato 510 de recuperacion de hidrogeno y la zona de presion intermedia 180. Reciclar el segundo fluido 182 wie de mejorar la eficiencia general del sistema. Cuando el segundo fluido 182 es hidrogeno gaseoso, por ejemplo, reciclar el segundo fluido 182 reduce la cantidad del nuevo hidrogeno requerido.
El aparato 510 de recuperacion de hidrogeno puede usar una variedad de tecnologlas para separar el segundo fluido 182 del tercer fluido 192. Por ejemplo, la separation de gas disuelto del refrigerante llquido o membrana de separation de hidrogeno de una manta de nitrogeno.
En diversas formas de realizacion, el EHRS 500 puede configurarse para monitorear la presion del tercer fluido 192 en la zona de baja presion 190. Monitoreando la presion del tercer fluido 192 en la zona de baja presion 190, puede configurarse el aparato 510 de recuperacion de hidrogeno para implicarse solamente o energizarse cuando ha sido detectada una presion incrementada, lo cual puede indicar que el segundo sello 182 ha sido retirado y el segundo fluido se ha filtrado a la zona de baja presion 190. Limitando el uso del aparato de recuperacion de hidrogeno, puede incrementarse la eficiencia general del sistema.
En otras formas de realizacion cuando el primer fluido 172 o el segundo fluido 182 (por ejemplo, hidrogeno a alta o baja presion) purga la zona de baja presion 190 y se combina con el tercer fluido 192 (por ejemplo, fluido refrigerante), puede hacerse circular con el tercer fluido 192 y permanece circulando hasta que el tercer fluido 192 se descarga antes que recuperarse desde el tercer fluido 192.
La celda electroqulmica 100 puede operar a presiones diferenciales superiores a aproximadamente 15 000 psi. Por ejemplo, una presion diferencial puede medirse como la diferencia entre la presion del segundo fluido 182 (es decir la presion de hidrogeno de entrada) que puede estar en el intervalo desde aproximadamente -10 psi a aproximadamente 0 psi, o desde aproximadamente 0 psi a aproximadamente 25 psi, aproximadamente 100 psi, aproximadamente 500 psi, aproximadamente 1 000 psi, o aproximadamente 6 000 psi y la presion del primer fluido 172 (es decir, presion de hidrogeno comprimido) que puede estar en el intervalo desde el llmite inferior de la presion de hidrogeno de entrada a
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mas alta que aproximadamente 15 000 psi. La presion diferencial tal como se ha descrito antes puede ser la presion diferencial experimentada por el primer sello 171. El segundo sello 181 puede experimentar una presion diferencial entre el segundo fluido 182 y el tercer fluido 192 que se encuentra en el intervalo entre aproximadamente 0 psi a aproximadamente 25 psi, aproximadamente 100 psi, aproximadamente 500 psi, aproximadamente 1 000 psi, o aproximadamente 6 000 psi.
La configuracion de sello en cascada descrita antes puede permitir que la fuerza de cierre 210 sea ajustada (es decir incrementada o reducida) a una fuerza de abertura 200 particular. Tradicionalmente la fuerza de cierre 210 puede ajustarse para entregar una carga previa sobre el primer sello 171, el segundo sello 181 y el tercer sello 191 suficiente para resistir la fuerza de abertura 200 esperada, causada por la presion interna. Sin embargo, cambiando la carga previa o ajustando la fuerza de cierre 210 durante la operacion de la celda electroqulmica 100, la presion a la cual el primer sello 171, el segundo sello 181 y el tercer sello 191 se retiran puede ajustarse para que ellos, cada uno, se retiren y se filtren a una presion particular preferida.
El ajuste de la capacidad de la celda electroqulmica 100 puede usarse para aumentar la seguridad del dispositivo. Tal como se ha descrito antes, retirar los sellos permite la purga de alta presion y la reinsercion de los sellos. Por lo tanto, ajustando la fuerza de cierre 210, la celda electroqulmica puede configurarse de manera tal que los sellos sean el primer componente en reaccionar a un incremento de presion en lugar de otro componente cuya falla podrla dar lugar a liberacion de hidrogeno.
La FIG. 6 muestra un diagrama de flujo 600 para un metodo de ajuste de los sellos de la celda electroqulmica 100. El metodo puede incluir proporcionar una celda electroqulmica 100 que puede tener una pluralidad de sellos en una configuracion de sello en cascada tal como se ha descrito antes. A continuacion, el metodo puede incluir aplicar una fuerza de cierre inicial a la celda electroqulmica con base en la presion de operacion esperada. Despues de aplicar una fuerza de cierre inicial, la celda puede energizarse y la operacion puede comenzar. Durante la operacion, la presion de las zonas bajas, intermedia y alta dentro de la celda electroqulmica 100 puede monitorearse de modo continuo o intermitente. Con base en las presiones monitoreadas y la fuerza de abertura resultante, puede ajustarse la fuerza de cierre. Ajustar la fuerza de cierre puede cambiar la presion a la cual se retira al menos uno de la pluralidad de sellos. Este proceso puede continuar durante toda la operacion de la celda electroqulmica o puede configurarse para correr durante solamente un perlodo finito de tiempo, inicialmente como arranque. Segun se requiera puede determinarse la operacion de la celda electroqulmica.
Se contemplan mas o menos sellos y zonas de presion. Por ejemplo, en otra forma de realizacion tal como se muestra en la FIG. 7, la celda electroqulmica 100 puede comprender un primer sello 171 y un segundo sello 181. Por consiguiente, la celda electroqulmica 100 tal como se muestra en la FIG. 7 puede comprender un primer sello 171 que define una zona de alta presion 170. El primer sello puede localizarse entre las placas bipolares 150, 160 y configurarse para contener un primer fluido 172 con una zona de alta presion 170. La celda electroqulmica 100 puede comprender ademas un segundo sello 181 que define una zona de presion intermedia 180. El segundo sello 182 puede localizarse entre placas bipolares 150, 160 y configurarse para contener un segundo fluido 182 dentro de la zona de presion intermedia 180. El primer sello 171 puede contenerse enteramente con el segundo sello 181. La celda electroqulmica 100 puede comprender ademas primero sellos secundarios 175, 176. Un sello secundario 175 y 176 puede localizarse afuera del primer sello 171 pero dentro del segundo sello 181.
Ademas, con respecto a la celda electroqulmica 100, un primer fluido 172 puede estar a una presion mas alta que el segundo fluido 182. El primer sello 171 y el segundo sello 181 pueden tener un corte transversal generalmente rectangular. El grosor del segundo sello 181 puede ser mas grande que el primer sello 171. El primer sello 171 puede configurarse para filtrar el primer fluido 172 a la zona de presion intermedia 180 cuando el primer sello 171 se retira. En una forma de realizacion de este tipo, la celda electroqulmica 100 puede configurarse para pagarse antes de retirarse el segundo sello 181, lo que reduce la posibilidad de que el segundo fluido 182 se filtre desde la zona de presion intermedia 180.
El primer sello 171 y el segundo sello 181 dentro de la celda electroqulmica 100 pueden configurarse para mantenerse insertados, lo cual impide la fuga del primer fluido 172 y del segundo fluido 182 cuando se esta aplicando una fuerza de cierre a las placas bipolares 150, 160 que es mas grande que la fuerza de abertura dentro de las placas bipolares 150, 160 cuando la fuerza de cierre aplicada las placas bipolares 150, 160 se aproxima a la fuerza de abertura dentro de las placas bipolares 150, 160, el primer sello 171 puede configurarse para retirarse antes que el segundo sello 181 se retire lo que causa que el primer fluido 172 se filtre mas alla del primer sello 171 a la zona de presion intermedia 180. El primer fluido 172 que se fuga mas alla del primer sello 171 puede combinarse con el segundo fluido 182 y reciclarse.
En otras formas de realizacion puede utilizarse una configuracion de sello en cascada similar a la descripcion anterior con una placa bipolar de dos partes. Por ejemplo, la placa bipolar 150 y 170 segun algunas formas de realizacion, pueden cada una formarse de dos partes. Una placa bipolar de dos piezas puede ser ventajosa por varias razones. Por ejemplo, costes reducidos de manufactura, flexibilidad en la manufactura, costes reducidos de material, capacidad de servicio incrementada y capacidad mejorada de selection de material (por ejemplo, conductividad electrica y resistencia la corrosion). En otras formas de realizacion, la placa bipolar 150 y 160 pueden confirmarse de una pluralidad de partes.
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Una configuracion de sello en cascada entre las dos partes de la placa bipolar puede configurarse para captura o recuperacion de fluido (por ejemplo, hidrogeno, filtrado entre las dos partes, tal como se describe mas adelante. De otra manera, el fluido filtrado desde la celda electroquimica o la pila podria crear un problema potencial de seguridad. Ademas, un volumen de fluido podria formarse entre las dos partes de la placa bipolar si el fluido es incapaz de descargarse. El fluido atrapado alta presion puede causar danos a la placa bipolar y potencialmente causar mas fugas.
La FIG. 8 muestra una forma de realization de placas bipolares 150 y 160 que comprende una placa bipolar de dos partes 800 que comprende un primer componente 801 y un segundo componente 802, configurados para un diseno de sello en cascada. El primer componente 801 puede formar un vacio 803 en comunicacion fluida con una estructura de flujo 805.
La celda electroquimica 100, tal como se muestra en la FIG. 1, puede comprender ademas capas de difusion de gas que conducen electricidad (GDLs) (no mostradas) dentro de la celda electroquimica 100 en cada lado de MEM 140. Las GDLs puede servir como medios de difusion que permiten el transporte de gases y liquidos dentro de la celda, proporcionan conduction electrica entre las placas bipolares 150 y 160 y PEM 130, ayuda en la remocion de calor y agua del procedimiento proveniente de la celda y, en algunos casos, proporcionan soporte mecanico a PEM 140. Ademas, unos canales (no mostrado) que se conocen como campos de flujo en las placas bipolares 150 y 160 pueden configurarse para suministrar gases al anodo 110 y el catodo 120 de MEM 140. Los gases reactantes en cada lado de PEM 130 pueden fluir a traves de campos de flujo y difundir a traves de GDLs porosas. Los campos de flujo y las GDLS pueden posicionarse de modo contiguo y acoplarse mediante corrientes internas de fluido. Por consiguiente, el campo de flujo y la GDL pueden formar colectivamente una estructura de flujo 805.
El primer componente 801 y el segundo componente 802 pueden ser generalmente planos y tener un perfil generalmente rectangular. En otras formas de realizacion, los componentes 801 y 802 pueden tener un perfil con forma de un cuadrado, una "pista de carreras" (es decir, una forma sustancialmente rectangular con lados semi-elipticos), un circulo, un ovalo, eliptica u otra forma. La forma del primer componente 801 y del segundo componente 802 pueden corresponder a los otros componentes de celda electroquimica 100 (por ejemplo, catodo, anodo, PEM, estructura de flujo, etc.) o pila de celda electroquimica.
El primer componente 801 y el segundo componente 802 pueden formarse, cada uno, a partir de uno o mas materiales. El primer componente 801 y el segundo componente 802 pueden formarse de los mismos materiales o de diferentes materiales. El componente 801 y 802 pueden formarse de un metal tal como acero inoxidable, titanio, aluminio, niquel, hierro, etc., o de una aleacion de metales como aleacion de cromo niquel, aleacion de mquel-estano, o una combination de los mismos.
El primer componente 801 y el segundo componente 802 pueden comprender un material enchapado, por ejemplo aluminio enchapado con acero inoxidable en una o mas regiones. El enchapado puede proporcionar las ventajas de ambos metales, por ejemplo en el caso de una placa bipolar fabricada de aluminio enchapado con acero inoxidable, el acero inoxidable protege el nucleo de aluminio de la corrosion durante la operation de la celda mientras proporciona las propiedades materiales superiores del aluminio tales como una alta relation de fuerza a peso, una alta conductividad termica y electrica, etc. En otras formas de realizacion, el primer componente 801 puede comprender aluminio andizado, sellado e imprimado.
En algunas formas de realizacion, el primer componente 801 puede formarse a partir de un material composite tal como fibra de carbon, grafito, polimero reforzado con vidrio, materiales composite termoplasticos. En algunas formas de realizacion, el primer componente 801 puede formarse de un metal que esta recubierto para prevenir tanto corrosion como conduccion electrica.
Segun varias formas de realizacion, el primer componente 801 puede ser generalmente no conductor, lo cual reduce la probabilidad de cortos entre las celdas electroquimicas. El segundo componente 802 puede formarse a partir de uno o varios materiales que proporcionan conductividad electrica como tambien resistencia la corrosion durante la operacion de la celda. Por ejemplo, el segundo componente 802 puede configurarse para hacer electricamente conductor en la region donde se insertan los componentes activos de la celda (por ejemplo, estructura de flujo, MEM, etc.).
El primer componente 801 y el segundo componente 802 pueden configurarse para acoplamiento coplanar. El primer componente 801 y el segundo componente 802 pueden acoplarse de manera que puedan soltarse o acoplarse de manera fija. Pueden usarse uno o mas mecanismos de union, por ejemplo material pegante, soldadura, soldadura con laton, soldadura, adhesion por difusion, soldadura ultrasonica, soldadura con laser, troquelado, remachado, soldadura de resistencia o sinterizado. En algunas formas de realizacion, el material pegante puede incluir un adhesivo. Adhesivos adecuados incluyen, por ejemplo, colas, epoxidos, cianoacrilatos, laminas termoplasticas (incluidas laminas termoplasticas pegadas en caliente), uretanos, anaerobicas, curadas con UV y otros polimeros. En algunas formas de realizacion, el primer componente 801 y el segundo componente 802 pueden acoplarse mediante conexion con friction. Por ejemplo, uno o mas sellos entre los componentes pueden producir una fuerza friccional adecuada entre los componentes cuando se comprimen para impedir un deslizamiento no intencionado.
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En otras formas de realizacion, el primer componente 801 y el segundo componente 802 pueden acoplarse, de manera que puedan soltarse, usando sujetadores, por ejemplo tornillos, pernos, ganchos u otros mecanismos similares. En otras formas de realizacion, varillas de compresion y tuercas pueden pasar por la placa bipolar 800 o a lo largo del lado externo y usarse para comprimir el primer componente 801 y el segundo componente 802 juntos como una celda electroqulmica 100 o una pluralidad de celdas electroqulmica 100 se comprimen en una pila.
El primer componente 801 y el segundo componente 802 acoplados pueden formar una pluralidad de diferentes zonas de presion y una pluralidad de sellos puede definir una o mas zonas de presion diferente. La FIG. 8 muestra la pluralidad de diferentes sellos y zonas de presion. Tal como se muestra en la FIG. 8, la pluralidad de sellos puede incluir un primer sello 871, un segundo sello 881, y un tercer sello 891. El primer sello 871 puede contenerse enteramente dentro del segundo sello 881 y el segundo sello 881 puede contenerse enteramente dentro del tercer sello 891. La forma del primer sello 871, del segundo sello 881 y del tercer sello 891 puede corresponder generalmente a la forma de la placa bipolar 800, tal como se muestra en la FIG. 8.
El primer sello 871, el segundo sello 881 y el tercer sello 891 pueden ser un tapon, un anillo O u otro componente de sello. El primer sello 871, el segundo sello 881 y el tercer sello 891 puede estar hechos de un material sellante elastomerico o polimerico, por ejemplo silicona, EPDM (monomeros de etileno-propileno-dieno), fluoroelastomero, gomas de nitrilo (Buna-N), PTFE (politetrafluoroetileno), polisulfona, polieterimida, sulfuro de poliquenileno, PEEK (polieter eter cetona), poli imida, PET (tereftalato de polietileno), PEN (naftalato de polietileno), HDPE (polietileno de alta densidad), poliuretano, neopreno, acetal, nylon, tereftalato de polibutileno, NBR (goma de acrilonitrilo-butadieno), etc. El material de cada sello puede ser diferente del material de los otros sellos, el material puede ser el mismo para solamente dos de los sellos, o el material puede ser el mismo para todos los sellos.
En algunas formas de realizacion, el primer sello 871, el segundo sello 881 y el tercer sello 891 pueden ser un sello de tipo borde de cuchillo o un sello pegado de modo adhesivo. Por ejemplo, el segundo componente 802 puede incluir protuberancias o proyecciones de tipo "dientes" en el lugar del primer sello 871 que estan configuradas para deformar plasticamente el primer sello 871. En otro ejemplo, un sello pegado de modo adhesivo puede formarse mediante una aplicacion continua de un adhesivo en un vaclo y libre de espacios. En otras formas de realizacion, el primer sello 171, el segundo sello 181 y el tercer sello 191 pueden formarse de un material plano de tapon que puede cortarse en un patron de alargamiento que se configura para mantener la configuracion en cascada. En otra forma de realizacion, puede ponerse una lamina plastica delgada entre el primer componente 801 y el segundo componente 802 lo cual forma un sello de tapon debajo de la carga de compresion de la celda electroqulmica o pila.
El primer sello 871 puede definir una porcion de zona de alta presion 870 y configurarse para contener un primer fluido 872 (por ejemplo hidrogeno) dentro de la zona de alta presion 870. El primer sello 871 puede delimitar los llmites externos de la zona de alta presion 870 al menos entre componentes 801 y 802. La zona de alta presion 870 puede incluir una estructura de flujo 805 que se extiende a traves del vaclo 803 cuando se acoplan el primer componente 801 y el segundo componente 802. El primer fluido 872 puede fluir a traves de la zona de alta presion 870 a traves de la estructura de flujo 805 desde el catodo 130.
El hidrogeno formado en el catodo 130 puede recolectarse en la zona de alta presion 870 y la conexion entre el primer componente 801 y el segundo componente 802 puede sellarse por un primer sello 871. El hidrogeno dentro de la zona de alta presion 870 puede comprimirse y, como resultado, incrementar en presion a medida que se forma mas y mas hidrogeno en la zona de alta presion 870. El hidrogeno en la zona de alta presion 870 puede comprimirse a una presion que es mayor a 15 000 psi. La presion dentro de la zona de alta presion 870 puede aplicar una fuerza de separacion sobre el primer componente 801 y el segundo componente 802.
Tal como se muestra en la FIG. 8, el primer sello 871 puede configurarse para extenderse alrededor del exterior de los canales comunes 804. Los canales comunes 804 pueden configurarse para suministrar o descargar un primer fluido 872 desde la zona de alta presion 870. Los canales comunes 804 pueden estar en comunicacion fluida con canales comunes de celdas electroqulmica es adyacentes en un compresor electroqulmico de celdas multiples.
El segundo sello 881 puede definir la circunferencia externa de la zona de presion intermedia 880. La zona de presion intermedia 880 puede comprender un volumen de presion intermedio 883 delimitado por el primer sello 871, el segundo sello 881, el primer componente 801 y el segundo componente 802. La zona de presion intermedia 880 puede configurarse para contener un segundo fluido 882. La zona de presion intermedia 880 puede comprender ademas uno o mas puertos de presion intermedia 884.
El volumen de presion intermedia 883 puede configurarse para recolectar y dirigir el segundo fluido 882 a los puertos de presion intermedia 884. Tal como se muestra en la FIG. 8, el volumen de presion intermedia 883 puede extenderse alrededor de la circunferencia de la zona de alta presion 870 separada por el primer sello 871. El area del corte transversal y el volumen del volumen de presion intermedia 883 pueden variar con base en la geometrla del primer componente 801, el segundo componente 802, el primer sello 871 y el segundo sello 881.
En otras formas de realizacion, el volumen de presion intermedio 883 puede separarse en una pluralidad de volumenes de presion intermedia 883, por ejemplo 2, 3, 4 o mas volumenes de presion intermedia 883. La pluralidad de volumenes
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de presion intermedia 883 puede separarse por una pluralidad de sellos. Tal como se muestra en la FIG. 8, el volumen de presion intermedia 883 puede separarse en dos volumenes de presion intermedia 883. Por ejemplo, tal como se muestra en la FIG. 8, el primer sello 871 puede extenderse a traves del volumen de presion intermedia 883 al segundo sello 881. Las porciones del primer sello 881 que se extienden alrededor de los canales comunes 804 pueden conectarse con el segundo sello 882 que separa el volumen de presion intermedia 883 en dos volumenes de presion intermedia 883.
Tal como se muestra en la FIG. 8, uno o mas volumenes de presion intermedia 883 pueden, cada uno, estar en comunicacion fluida con uno o mas puertos de presion intermedia 884. Los puertos de presion intermedia 884 pueden configurarse para descargar el segundo fluido 882 que se contiene dentro de los volumenes de presion intermedia 883. La forma de puertos de presion intermedia 884 puede variar. Por ejemplo, los puertos de presion intermedia 884 pueden ser cuadrados, rectangulares, triangulares, oligo anales, circulares, ovales o de otra forma. La cantidad de puertos de presion intermedia 884 por volumen de presion intermedia 883 puede variar desde 1 hasta aproximadamente 25 o mas. El area del corte transversal de los puertos de presion intermedia 884 puede variar. Por ejemplo, el diametro de los puertos de presion intermedia 884 circulares puede estar en el intervalo desde menos de aproximadamente 0,1 pulgadas a aproximadamente 1 pulgada o mas. Tal como se muestra en la FIG. 8, los puertos de presion intermedia 884 pueden espaciarse uniformemente entre el primer sello 871 y el segundo sello 881 y distribuirse uniformemente a lo largo de la longitud de la placa bipolar 800. En otras formas de realizacion, los puertos de presion intermedia 884 pueden extender la circunferencia completa de la zona de presion intermedia 880.
El segundo fluido 882 descargado a traves de los puertos de presion intermedia 884 puede alimentarse nuevamente a la celda electroqulmica 100. Por ejemplo, el segundo fluido 882 puede devolverse a la zona de presion intermedia 180. En otras formas de realizacion, el segundo fluido 882 que se ha descargado a traves de los puertos de presion intermedia 884 puede recolectarse y reciclarse. El segundo fluido 882 en la zona de presion intermedia 880 puede generalmente ser de presion mas baja que el primer fluido 872 en la zona de alta presion 870.
El tercer sello 891 puede definir una zona de baja presion 890 y configurarse para contener un tercer fluido 892 dentro de la zona de baja presion 890. La zona de baja presion 890 puede comprender un volumen de presion baja 893 que esta delimitado por el segundo sello 881, el tercer sello 891, el primer componente 801 y el segundo componente 802. La zona de baja presion 890 puede configurarse para contener un tercer fluido 892. La zona de baja presion 890 puede comprender ademas uno o mas puertos de baja presion 894.
El volumen de baja presion 893 puede configurarse para recolectar y dirigir el tercer fluido 892 a los puertos de baja presion 894. Tal como se muestra en la FIG. 8, el volumen de baja presion 893 puede extenderse alrededor de la circunferencia de la zona de presion intermedia 880 que se separa por el segundo sello 881. El area y el volumen del corte transversal del volumen de presion baja 893 pueden variar con base en la geometrla del primer componente 801, del segundo componente 802, del segundo sello 801 y del tercer sello 891. Segun diversas formas de realizacion, el volumen de presion intermedia 883 puede ser mas o menos que el volumen del volumen de baja presion 893.
En otras formas de realizacion, el volumen de baja presion 893 puede separarse en una pluralidad de volumenes de presion intermedia 893, por ejemplo 2, 3, 4 o mas volumenes de baja presion 893. La pluralidad de volumenes de baja presion 893 puede separarse por una pluralidad de sellos. Tal como se muestra en la FIG. 9, el volumen de baja presion 893 puede separarse en dos volumenes de baja presion 893. Por ejemplo, uno o mas sellos de puente 895 pueden extenderse a traves del volumen de baja presion 883 desde un segundo sello 881 hasta un tercer sello 891.
Tal como se muestra en la FIG. 8, uno o mas volumenes de baja presion 893 pueden estar, cada uno, en comunicacion fluida con uno o mas puertos de baja presion 894. Los puertos de baja presion 894 pueden configurarse para descargar el tercer fluido 892 que esta contenido dentro de los volumenes de baja presion 893. La forma de los puertos de baja presion 894 puede variar. Por ejemplo, los puertos de baja presion 894 pueden ser cuadrados, rectangulares, triangulares, poligonales, circulares, ovales o de otra forma. El numero de puertos de baja presion 894 por volumen de baja presion 893 puede variar de 1 a aproximadamente 50 o mas. El area de corte transversal de los puertos de baja presion 894 puede variar. Por ejemplo, el diametro de los puertos de baja presion 894 circulares puede estar en un intervalo de menos de aproximadamente 0,1 pulgada a aproximadamente 1 pulgada o mas. Tal como se muestra en la FIG. 8, los puertos de baja presion 894 pueden estar espaciados entre el segundo sello 881 y el tercer sello 891 y escalonarse de modo uniforme a lo largo de la longitud de la placa bipolar 800. En otras formas de realizacion, los puertos de baja presion 894 pueden extender la circunferencia completa de la zona de baja presion 890.
El tercer fluido 892 que se descarga a traves de los puertos de baja presion 894 puede suministrarse nuevamente a la celda electroqulmica 100. Por ejemplo, el tercer fluido 892 puede volver a la zona de baja presion 190. En otras formas de realizacion, el tercer fluido 892 que se descarga a traves de puertos de presion intermedia 894 puede recolectarse y reciclarse. El tercer fluido 892 en la zona de baja presion 890 puede ser generalmente de presion mas baja que el primer fluido 872 en la zona de alta presion 870 y el segundo fluido 882 en la zona de presion intermedia 880.
La configuration de sello en cascada entre primer componente 801 y el segundo componente 802, tal como se ha descrito antes, puede ponerse en practica en la placa bipolar 150 y 160 de la celda electroqulmica 100, tal como se ha descrito antes. En otras formas de realizacion, la configuracion de sello en cascada entre los componentes 801 y 802
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puede ponerse en practica en otras celdas electroqulmica as en las cuales no se utiliza una configuracion de sello en cascada entre las dos placas bipolares. Por lo tanto, ambas configuraciones de sello en cascada, tal como se han descrito antes, pueden ser independientes una de otra de manera tal que cualquiera pueda utilizarse individualmente en una celda electroqulmica o pueda utilizarse conjuntamente en la misma celda electroqulmica.
En algunas formas de realizacion, el primer componente 801 y el segundo componente 802 pueden incluir caracterlsticas de enganche. Las caracterlsticas de enganche pueden formar una geometrla de emparejamiento que es suficiente para asegurar conjuntamente el primer componente 801 y el segundo componente 802. Por ejemplo, el primer componente 801 puede comprender una o mas protuberancias y el segundo componente 802 puede comprender una o mas hendiduras. Sin embargo, se contempla ademas que el primer componente 801 y el segundo componente 802 puedan comprender diversos mecanismos de union. Las caracterlsticas de enganche pueden comprender diversas formas y tamanos. Por ejemplo, pueden formarse protuberancias y hendiduras con forma cillndrica, redonda, ellptica, rectangular o cuadrada. De manera adicional, las protuberancias y hendiduras pueden incluir diversas formas poligonales.
Tal como se muestra en la FIG. 8, las caracterlsticas de enganche pueden incluir diversas conexiones que se configuran para sellar el primer componente 801 y el segundo componente 802. Por ejemplo, las caracterlsticas de enganche pueden incluir un primer sello 871, un segundo sello 881 y un tercer sello 891 y la cavidad de sello correspondiente en la cual estos pueden descansar. El primer componente 801 y el segundo componente 802 pueden incluir una pluralidad de cavidades de sello que se configuran para recibir al menos una porcion de un primer sello 871, un segundo sello 881 y un tercer sello 891. Cada cavidad de sello puede comprender una extrusion en el primer componente 801, el segundo componente 802 o ambos componentes 801 y 802. Las dimensiones de extrusion y la geometrla pueden corresponder a las dimensiones y a la geometrla de corte transversal del primer sello 871, del segundo sello 881 y del tercer sello 891.
En otras formas de realizacion, la cantidad de zonas de presion entre el primer componente 801 y el segundo componente 802 puede ser mayor o menor a tres (es decir, alta, intermedia y baja). Por ejemplo, un primer componente 801 y un segundo componente 802 podrlan comprender solo dos zonas de presion (por ejemplo, alta y baja) o podrlan comprender cuatro, zonas de presion (por ejemplo, alta-alta, alta, intermedia y baja). En otra forma de realizacion, las zonas de presion pueden organizarse en cascada, pero no caer en cascada secuencialmente en presion.
[Pueden proporcionarse mas detalles]
Una placa bipolar similar a la placa bipolar 800 que tiene solamente dos zonas de presion podrla comprender un primer componente, un segundo componente, un sello formado entre los dos componentes que separan las dos zonas de presion, un volumen que rodea el sello y al menos un puerto en comunicacion fluida con el volumen configurado para el fluido descargado, recolectado en el volumen.
En otras formas de realizacion, se contempla que el volumen circundante pueda configurarse para extenderse alrededor de solo una porcion del sello. Por ejemplo, las camaras de volumen podrlan distribuirse alrededor de la circunferencia de cada sello dentro de cada zona de presion.
Durante la operacion, la configuracion de sello en cascada entre primer componente 801 y el segundo componente 802, tal como se ha descrito antes, puede habilitar la recoleccion y el reciclaje o la recuperacion del llquido filtrado desde la zona de alta presion 870 a la zona de presion intermedia 880 y la zona de baja presion 890 entre los componentes 801 y 802. Tal como se ha mencionado antes, el primer fluido 872 dentro de la zona de alta presion 870 puede comprimirse a presiones que exceden 15 000 psi. La presion del primer fluido 872 puede aplicar a una fuerza de separacion sobre el primer sello 871, el primer componente 801, y un segundo componente 802. Cuando la fuerza de acoplamiento del primer componente 801 y el segundo componente 802 es suficiente para contrarrestar la fuerza de separacion y mantener la conexion, y el primer sello 871 esta funcionando apropiadamente, entonces puede impedirse que el primer fluido 871 se filtren desde la zona de alta presion 870 mas alla del primer sello 871 a la zona de presion intermedia 880.
Por otra parte, cuando la fuerza de acoplamiento es insuficiente para mantener la conexion, o el primer sello 871 funciona mal, el primer fluido 872 puede filtrarse desde la zona de alta presion 870 mas alla del primer sello 871 a la zona de presion intermedia 880. El primer fluido 872 filtrado a la zona de presion intermedia 880 puede recolectarse en volumen de presion intermedio 883 y constituir un segundo fluido 882. El primer fluido 872/el segundo fluido 882 que se recolectan en el volumen de presion intermedia 883 pueden fluir dentro y fuera a traves de puertos de presion intermedia 884. El fluido descargado (es decir, el primer fluido 872/el segundo fluido 882) puede reciclarse o recuperarse antes que perderse, lo cual era tradicionalmente el caso en otros disenos bipolares de dos partes.
La zona de baja presion 890 puede proporcionar un nivel adicional de proteccion ante las fugas. El segundo fluido 882 que se filtra mas alla del segundo sello 881 puede recolectarse en el volumen de baja presion 893 y constituir el tercer fluido 892. El segundo fluido 882/el tercer fluido 892 que se recolectan pueden fluir dentro y fuera a traves de los puertos de baja presion 894. Como el otro fluido descargado, el segundo fluido 882/el tercer fluido 892 pueden reciclarse o recuperarse. El flujo a traves de los puertos de presion intermedia 884 y los puertos de baja presion 894 pueden controlarse corriente abajo. Por ejemplo, una o mas valvulas pueden abrir o cerrar para permitir que se descargue el fluido. El flujo a traves de puertos de presion intermedia 884 puede ser continuo o intermitente.
El metodo para usar la configuracion de sello en cascada puede comprender recolectar el fluido (por ejemplo, el primer fluido 872, el segundo fluido 882 y el tercer fluido 892) con diferentes volumenes (por ejemplo volumen de presion intermedia 883 o volumen de baja presion 893) separados por una pluralidad de sellos (por ejemplo, el primer sello 871, el segundo sello 881 y el tercer sello 891) y descargar el fluido recolectado a traves de los puertos de presion (por 5 ejemplo, puertos de presion intermedia 884 y puertos de baja presion 894) y luego reciclar el fluido descargado.
Otras formas de realizacion de la presente divulgacion seran obvias para aquellos expertos en la tecnica a partir de la consideration de la especificacion y de la practica de la presente divulgacion. Se pretende que la especificacion y los ejemplos sean considerados solamente como ejemplos, en cuyo caso el verdadero alcance de la presente divulgacion se indica en las reivindicaciones siguientes.
10

Claims (13)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    45
    REIVINDICACIONES
    1. Una celda electroqulmica (100) que comprende:
    un par de placas bipolares (150, 160) y un montaje de electrodo de membrana (140) localizado entre el par de placas bipolares, en la cual el montaje de electrodo de membrana comprende un anodo (110), un catodo (120), y una membrana de intercambio de protones (130) dispuesta en medio de las mismas;
    un primer sello (171) que define una zona de alta presion (170), en la cual el primer sello se localiza entre las placas bipolares y se configura para contener un primer fluido (172) dentro de la zona de alta presion;
    un segundo sello (181) que define una zona de presion intermedia (180), en la cual el segundo sello se localiza entre las placas bipolares y se configura para contener un segundo fluido (182) dentro de la zona de presion intermedia; y
    un par de estructuras de flujo (805) que tienen capas de difusion de gas, en la cual las estructuras de flujo se posicionan entre las placas bipolares a cada lado del montaje de electrodo de membrana (140);
    en la cual el primer sello (171) se configura para filtrar el primer fluido (172) hacia la zona de presion intermedia (180) cuando se retira el primer sello; y
    en la cual al menos una de las placas bipolares incluye un primer componente (801) y un segundo componente (802) y tiene una configuracion de sello en cascada dispuesta entre el primer componente y el segundo componente, y el primer componente y el segundo componente definen un vaclo (803) que alberga una porcion de una de las estructuras de flujo.
  2. 2. La celda electroqulmica (100) de la reivindicacion 1, que comprende ademas un tercer sello (191) que define una zona de baja presion (190) configurada para contener un tercer fluido (192) dentro de la zona de baja presion, en la cual el segundo sello (181) se configura para filtrar el segundo fluido (182) en la zona de baja presion cuando se retira el segundo sello.
  3. 3. La celda electroqulmica (100) de la reivindicacion 2, en la cual el primer sello (171) se contiene dentro del segundo sello (181) y el segundo sello se contiene con el tercer sello.
  4. 4. La celda electroqulmica (100) de la reivindicacion 2, en la cual el primer sello (171), el segundo sello (181), y el tercer sello tienen un corte transversal generalmente rectangular cuando no estan comprimidos.
  5. 5. La celda electroqulmica (100) de la reivindicacion 2, en la cual el grosor del tercer sello es superior al del segundo sello (181) y el grosor del segundo sello es mas grande que el primer sello (171).
  6. 6. La celda electroqulmica (100) de la reivindicacion 2, en la cual el primer fluido (172) es hidrogeno a alta presion, el segundo fluido (182) es hidrogeno a baja presion y el tercer fluido es fluido refrigerante.
  7. 7. La celda electroqulmica (100) de la reivindicacion 2, en la cual el tercer fluido es nitrogeno y la zona de baja presion incluye una manta de nitrogeno que rodea la celda electroqulmica configurada para detectar una fuga de al menos uno del primer fluido (172) y el segundo fluido (182) desde dentro de la celda electroqulmica.
  8. 8. La celda electroqulmica (100) de la reivindicacion 2, que ademas comprende un transmisor de presion que monitorea una presion del tercer fluido y en cuyo caso la celda electroqulmica se configura para pagarse antes que el tercer fluido alcance una presion a la cual se retira el tercer sello.
  9. 9. La celda electroqulmica (100) de la reivindicacion 2, en la cual el primer sello (171), el segundo sello (181), y el tercer sello dentro del par de placas bipolares (150, 160) se configuran para permanecer insertados, lo cual previene la fuga del primer fluido (172), del segundo fluido (182), y el tercer fluido, cuando una fuerza de cierre que se esta aplicando al par de placas bipolares (150, 160) es mayor a la fuerza de abertura dentro del par de placas bipolares.
  10. 10. La celda electroqulmica (100) de la reivindicacion 2, en la cual el primer sello (171) se configura para retirar antes que el segundo sello (181) o el tercer sello lo que causa que el primer fluido (172) se filtra mas alla del primer sello a la zona de presion intermedia (180) cuando una fuerza de cierre aplicada al par de placas bipolares (150, 160) se aproxima a una fuerza de abertura dentro del par de placas bipolares, lo cual causa una primera separacion del par de placas bipolares.
  11. 11. La celda electroqulmica (100) de la reivindicacion 10, en la cual el segundo sello (181) se configura para retirarse, lo cual causa que el segundo fluido (182) se filtre mas alla del segundo sello hacia la zona de baja presion cuando la fuerza de cierre se aproxima ademas a la fuerza de abertura, lo que causa una segunda separacion del par de placas bipolares (150, 160).
  12. 12. La celda electroqulmica (100) de la reivindicacion 10, en la cual la celda se dispone de manera tal que el primer fluido (172) que se filtra a la zona de presion intermedia (180) se combina con el segundo fluido (182) y se recicla y el segundo fluido que se filtra a la zona de baja presion se combina con el tercer fluido y fluye fuera de la celda electroqulmica y se recupera.
    5 13. La celda electroqulmica (100) de la reivindicacion 2, que comprende ademas un par de sello secundarios,
    localizados afuera del primer sello (171) y adentro del segundo sello (181), en la cual el par de sello secundarios define dos zonas secundarias de alta presion en comunicacion fluida con la zona de alta presion (170).
  13. 14. Un metodo de ajuste de la fuerza de cierre de una celda electroqulmica (100) que tiene una configuracion de sello en cascada y el metodo comprende:
    10 proporcionar una celda electroqulmica que tiene una pluralidad de sellos en una configuracion de sello en cascada; aplicar una fuerza de cierre inicial a la celda electroqulmica con base en la presion de operacion esperada; operar la celda electroqulmica; monitorear la presion de la celda electroqulmica; y
    ajustar la fuerza de cierre aplicada a la celda electroqulmica con base en la presion monitoreada.
    15
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