ES2694142T3 - Procedimiento para alimentar con gas oxigenado un cátodo de una pila de combustible y pila de combustible - Google Patents

Procedimiento para alimentar con gas oxigenado un cátodo de una pila de combustible y pila de combustible Download PDF

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Abstract

Pila de combustible (1) del tipo con membrana intercambiadora de protones y concebida para equipar un submarino, que comprende un circuito de alimentación (6) con gas oxigenado del cátodo (3), conectado a una fuente (16) de gas oxigenado rico en oxígeno y un circuito de evacuación (7) del gas efluente del cátodo (3), siendo el gas oxigenado rico en oxígeno de la fuente (16) un gas que contiene más del 60%, preferentemente más del 80% de oxígeno, estando el circuito de evacuación del gas efluente prolongado hasta el circuito de alimentación con gas oxigenado aguas arriba del cátodo por un circuito de reciclaje (8), de manera que permita la alimentación del cátodo con una mezcla gaseosa que contiene más del 60% de gas neutro, comprendiendo el circuito de reciclaje (8) un sobrealimentador (12) pilotable destinado a aumentar la presión del gas efluente; y estando el circuito de alimentación (6) con gas oxigenado del cátodo (3) unido a la fuente (16) de gas oxigenado rico en oxígeno por medio de un descompresor pilotado (17), y en la que: - el circuito de alimentación con gas oxigenado (6) comprende, entre el punto de unión (9) con el circuito de reciclaje (8) del gas efluente y la entrada del cátodo (3), un dispositivo (18) para medir el contenido en oxígeno de la mezcla gaseosa que alimenta el cátodo de la pila de combustible, - la pila comprende un módulo de control y de regulación (19) para la regulación del contenido en oxígeno de la mezcla gaseosa que alimenta el cátodo (3), estando el dispositivo (18) para medir el contenido de oxígeno de la mezcla gaseosa que alimenta el cátodo unido al módulo (19), emitiendo el módulo (19) las órdenes hacia el descompresor pilotado (17) y hacia el sobrealimentador (12); y caracterizada por que: - el circuito de reciclaje (8) comprende un medio (13) para realizar un complemento con gas neutro.

Description

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DESCRIPCION
Procedimiento para alimentar con gas oxigenado un catodo de una pila de combustible y pila de combustible.
La presente invencion se refiere a un procedimiento para alimentar con gas oxigenado un catodo de una pila de combustible del tipo con membrana intercambiadora de protones, asf como a una pila de combustible que tiene un circuito de alimentacion adaptado en consecuencia.
Las pilas de combustible para la produccion de electricidad alimentadas con hidrogeno y con aire son bien conocidas en sf mismas. Estas pilas de combustible son unos dispositivos electroqmmicos que comprenden en particular una membrana intercambiadora de protones dispuesta entre unos electrodos. Una de las caras de la membrana intercambiadora de protones esta alimentada con gas oxigenado tal como aire, y el otro lado de la membrana intercambiadora de protones esta alimentado con gas hidrogenado. El hidrogeno proporciona unos protones que atraviesan la membrana y reaccionan con el oxfgeno del aire para producir agua. Esta reaccion genera una produccion de electricidad de tal manera que el lado de la membrana alimentado con aire constituye un catodo y el lado de la membrana alimentado con hidrogeno constituye un anodo. Una pila de combustible de este tipo, que consume el oxfgeno del aire, produce electricidad y expulsa nitrogeno y agua.
En el caso en que dichas pilas de combustible se utilizan en unos ambientes confinados, el consumo de aire y la expulsion de nitrogeno pueden plantear problemas. Es el caso, en particular, cuando estas pilas se utilizan en unos submarinos o para ciertos equipos espaciales. Para dichas aplicaciones, el problema de alimentacion con aire de las pilas plantea un problema, por una parte, porque las reservas de aire son limitadas, y por otra parte, en particular en el marco de las aplicaciones submarinas, porque la expulsion de nitrogeno enriquece la atmosfera con nitrogeno y por tanto la empobrece en oxfgeno. Este empobrecimiento en oxfgeno puede plantear problemas, en particular cuando la atmosfera es la que debe respirar una tripulacion.
Se ha propuesto alimentar estas pilas de combustible mediante unas reservas de aire comprimido almacenadas en su proximidad, pero estas soluciones no son apropiadas puesto que son muy voluminosos y, en cualquier caso, expulsan nitrogeno a la atmosfera ambiente.
Para evitar este inconveniente, se ha propuesto utilizar unas pilas alimentadas por una reserva de oxfgeno puro, lo cual tiene la ventaja de no expulsar nitrogeno, y por tanto no enriquecer con nitrogeno la atmosfera confinada. Pero esta solucion adolece del inconveniente de necesitar la utilizacion de pilas especialmente concebidas para funcionar con oxfgeno puro, que son particularmente costosas, y de las que el desgaste de las membranas intercambiadoras de protones, destinadas a funcionar normalmente en presencia de aire y no de oxfgeno puro, es muy rapido.
El documento US n° 4.859.545 divulga una pila de combustible que es alimentada por un gas oxigenado del cual una fraccion procede de un circuito de reciclaje de los gases efluentes.
El objetivo de la presente invencion es proponer un medio mejorado para alimentar con gas oxigenado unas pilas de combustible con membrana intercambiadora de protones.
Con este fin, la invencion tiene por objeto una pila de combustible y un procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones.
En general, la presion de la mezcla de alimentacion del catodo es superior a la presion del gas efluente a la salida del catodo y, antes de efectuar la mezcla, se aumenta la presion del gas efluente para obtener gas efluente a sobrepresion y se ajusta la presion de alimentacion con oxfgeno para que sea sustancialmente igual al gas efluente a sobrepresion.
Preferentemente, se regula el contenido de oxfgeno de la mezcla de alimentacion con oxfgeno alrededor de una consigna en funcion de la potencia electrica proporcionada por la pila de combustible.
Para regular el contenido de oxfgeno del mezclador de alimentacion del catodo, se puede medir el contenido de oxfgeno de la mezcla de alimentacion del catodo y ajustar la presion de alimentacion con oxfgeno y la presion del gas efluente a sobrepresion en funcion de la diferencia entre la medicion del contenido de oxfgeno y la consigna de contenido de oxfgeno del gas de alimentacion del catodo.
El medio para comprimir el gas efluente es por ejemplo un sobrealimentador pilotable, el medio para ajustar la presion de alimentacion con gas oxigenado rico en oxfgeno es pilotable y, por ejemplo, es un descompresor pilotable. Preferentemente, un dispositivo para medir el contenido de oxfgeno del gas de alimentacion del catodo esta dispuesto sobre el circuito de alimentacion del catodo aguas abajo del punto de union con el circuito de gas efluente reciclado.
El dispositivo de medicion del contenido de oxfgeno, el medio para ajustar la presion de alimentacion de gas oxigenado y el medio para comprimir el gas efluente pueden estar conectados a un medio de mando y de
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regulacion.
La fluente de gas oxigenado rico en oxfgeno es por ejemplo una fuente de ox^geno y la fuente de gas neutro de complemento es una fuente de nitrogeno o de dioxido de carbono o de una mezcla de estos dos gases.
La invencion se describira ahora de forma mas precisa pero no limitativa con respecto a la unica figura adjunta que representa de forma esquematica un circuito de alimentacion con gas oxigenado de una pila de combustible con membrana intercambiadora de protones.
En la figura, se ha representado de manera esquematica una pila de combustible referenciada generalmente por 1 y constituida por un compartimento anodico 2 y por un compartimento catodico 3 separados por un electrolito tal como una membrana intercambiadora de protones 4. El compartimento anodico 2 esta alimentado con hidrogeno o con gas hidrogenado por una fuente 5 de un gas de este tipo. El compartimento catodico 3 esta alimentado con gas oxigenado por el conjunto del circuito que sera descrito ulteriormente.
Se observara que, en esta representacion esquematica, la pila de combustible esta constituida por un compartimento anodico separado de un compartimento catodico por una membrana intercambiadora de protones. Pero una pila real esta constituida en general por una pluralidad de celulas activas apiladas que estan constituidas cada una por un compartimento anodico y por un compartimento catodico, separados por una membrana intercambiadora de protones. Estas celulas estan alimentadas en paralelo por una parte por el gas oxigenado, por otra parte por el gas hidrogenado, y estan conectadas electricamente en serie.
En todo el texto, cuando se habla de compartimento anodico o de compartimento catodico, se considera que esto representa el conjunto de los compartimentos anodicos o el conjunto de los compartimentos catodicos de las celulas elementales de una pila de combustible. En aras de simplificacion, los compartimentos catodicos y catodicos se denominan tambien anodo y catodo.
El compartimento catodico 3 esta alimentado con gas oxigenado por un circuito de alimentacion 6 con gas oxigenado y expulsa un efluente por un circuito de evacuacion 7 de los efluentes.
El circuito de evacuacion 7 de los efluentes esta prolongado por un circuito representado generalmente por 8 que es un circuito de reciclaje de los efluentes y que une el circuito de alimentacion con gas oxigenado con el punto de union 9.
El circuito de reciclaje 8 comprende en primer lugar un dispositivo 10 destinado a secar el gas efluente, o mas exactamente, a evacuar la parte esencial del agua de reaccion que esta contenida en este gas efluente.
Este dispositivo de separacion agua/gas, es por ejemplo condensador o un ciclon estatico. Comprende una purga para la evacuacion del agua que ha sido separada.
Aguas abajo del dispositivo de separacion de agua, el circuito de reciclaje 8 comprende una derivacion provista de una valvula 11 destinada a purgar el circuito de reciclaje.
El circuito de reciclaje comprende a continuacion un sobrealimentador 12 destinado a aumentar la presion del gas efluente.
Aguas abajo del sobrealimentador el circuito de reciclaje comprende una derivacion destinada a realizar una alimentacion complementaria con gas neutro referenciada generalmente por 13. Este medio de alimentacion complementaria 13 con gas neutro esta constituido por un deposito 14 de gas neutro a presion conectado por medio de un conducto que comprende una valvula 15 al circuito de reciclaje 8.
El sobrealimentador es pilotable, lo cual significa que su velocidad de rotacion puede ser mandada de manera que regule la presion de salida del gas.
El circuito de alimentacion con gas oxigenado 6 esta conectado en el punto de union 9 a unos medios de alimentacion con gas rico en oxfgeno, por medio de un descompresor pilotado 17. Estos medios estan constituidos por ejemplo por una reserva 16 de oxfgeno lfquido o de un generador de oxfgeno alimentado con peroxido de hidrogeno o de una reserva de oxfgeno gaseoso a alta presion. El oxfgeno se suministra a una presion relativamente elevada, por ejemplo proxima a 5 bar.
Con el fin de regular el funcionamiento de la pila de combustible, el circuito de alimentacion con gas oxigenado 6 comprende, entre el punto de union 9 con el circuito de reciclaje 8 del gas efluente y la entrada del compartimento catodico 3, un dispositivo 18 para medir el contenido de oxfgeno de la mezcla gaseosa que alimenta el compartimento catodico de la pila de combustible. Este medio de medicion del contenido de oxfgeno es por ejemplo un oxigenometro conocido en sf mismo. Esta conectado a un modulo de mando y de regulacion 19 por medio de una conexion 20.
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El modulo de mando y de regulacion 19 puede recibir una consigna de potencia denominada 21, y puede emitir unas ordenes por medio de la conexion 22 hacia el descompresor pilotado 17 y por medio de la conexion 23 hacia el sobrealimentador 12.
El circuito de reciclaje de gas efluente transporta gas efluente cuya composicion esta definida esencialmente por la naturaleza del gas neutro que puede ser introducido en el circuito. Este gas neutro contenido en el deposito 14 es por ejemplo nitrogeno. Puede ser tambien dioxido de carbono, o una mezcla de estos dos gases o tambien otro gas neutro. Puede ser puro o puede contener unas impurezas en cantidad limitada.
Ademas, el gas efluente puede contener agua o vapor de agua.
Se describira ahora el funcionamiento del circuito de alimentacion con gas oxigenado de los compartimentos catodicos de la pila de combustible.
De manera general, el circuito que acaba de ser descrito tiene por objetivo alimentar el compartimento catodico con un gas constituido por oxfgeno diluido en por lo menos 60% de gas neutro, de manera que no deteriore demasiado rapidamente la membrana reactiva. El contenido de oxfgeno de la mezcla debe ser sin embargo suficiente para que la pila pueda funcionar.
Cuando el gas neutro es esencialmente nitrogeno, el circuito de alimentacion tiene por objetivo reconstituir un gas de alimentacion comparable al aire. Para ello el oxfgeno casi puro que procede de la fuente de oxfgeno 16 se mezcla en el punto de union 9 con el gas reciclado que es esencialmente nitrogeno, de manera que constituya un gas mezclado constituido por 15 a 30% de oxfgeno y por el complemento de nitrogeno.
Despues del paso por la celula reactiva, el oxfgeno, que reacciona con los protones proporcionados por el hidrogeno para formar agua, esta consumido en su parte esencial. Por ello, el gas efluente que sale de nuevo contiene principalmente nitrogeno, agua en forma de vapor o en forma de lfquido, y eventualmente un poco de oxfgeno.
Este gas efluente que circula por el circuito de reciclaje 8, cuando pasa por el dispositivo de separacion de agua 10, se seca con el fin de tener una humedad relativa preferentemente inferior a 100%. En efecto, es preferible que el gas que alimenta el compartimento catodico no comprenda demasiada agua, pero sin embargo es deseable que contenga un poco de humedad favorable para una buena longevidad de la membrana intercambiadora de protones.
El gas efluente que sale de nuevo de la celula reactiva esta en general a una presion proxima a 1 bar, o sea la presion ambiente. Pero el gas que alimenta esta celula reactiva debe estar a una presion sustancialmente superior de manera que compense la perdida de carga en la travesfa de la celula reactiva.
Esta presion a la entrada es por ejemplo del orden de 1,5 bar, y puede variar entre un poco menos de 1,5 y un poco mas de 1,5 bar y por ejemplo entre 1,2 y 1,6 bar.
Esta sobrepresion de entrada esta realizada por el sobrealimentador 12 que esta destinado a comprimir el gas efluente de manera que lo lleve a la presion de entrada en la celula reactiva.
Asimismo, la presion del oxfgeno debe ser ajustada para ser sustancialmente igual a la presion del gas efluente reciclado a la salida del sobrealimentador. Este ajuste de las presiones es necesario para que exista una buena mezcla de los dos gases y una buena alimentacion del compartimento catodico. Este ajuste de la presion de oxfgeno esta realizado por el descompresor pilotado 17 que esta alimentado con oxfgeno a presion elevada por la fuente de oxfgeno 16. La presion del oxfgeno aguas arriba del descompresor es por ejemplo de 5 bar.
El circuito de alimentacion con gas de la celula catodica comprende un circuito cerrado. Por ello, el gas contenido en el circuito se puede enriquecer con contaminantes gaseosos diversos y puede ser deseable renovarlo de vez en cuando. Es por lo cual esta previsto un medio de purga 11.
Este medio de purga se utiliza periodicamente para vaciar parcial o totalmente el circuito cerrado y evacuar gas contaminado de manera que se pueda reemplazar con la ayuda del dispositivo de aportacion de gas neutro 13 por gas neutro mas puro.
La frecuencia con la que se debe purgar el circuito depende del regimen de funcionamiento, por lo que la purga se realiza de forma discontinua sin que sea necesariamente a intervalos regulares.
La potencia proporcionada por la pila depende de la cantidad de oxfgeno consumido por unidad de tiempo, por consiguiente del caudal de oxfgeno. La regulacion de la potencia proporcionada por la pila se realiza regulando el contenido en oxfgeno de la mezcla gaseosa de alimentacion del compartimento catodico. Esta regulacion del contenido en oxfgeno del gas de alimentacion, que puede variar preferentemente entre 15% y 30%, se realiza utilizando el medio de regulacion 19 relacionado con la medicion de contenido en oxfgeno 18 del gas de
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alimentacion.
El principio es el siguiente: se envfa una senal 21 representativa de la potencia que debe proporcionar la pila de combustible al sistema de regulacion 19 que elabora una consigna de contenido en oxfgeno. El sistema de regulacion 19 compara esta consigna de contenido en oxfgeno con el contenido en oxfgeno medido con la ayuda del medio de medicion de oxfgeno 18, y en funcion de la diferencia constatada, ajusta por una parte las condiciones de funcionamiento del descompresor pilotado 17, y por otra parte del sobrealimentador 12 de manera que las condiciones de funcionamiento del circuito sean tales que el contenido en oxfgeno de la mezcla gaseosa que alimenta la pila de combustible sea proximo al valor de consigna.
El sistema que acaba de ser descrito tiene la ventaja de ser alimentado con oxfgeno puro a alta presion, o mas generalmente con gas oxigenado con alto contenido de oxfgeno y que utiliza poco espacio, utilizando al mismo tiempo una membrana destinada a funcionar en presencia de aire alimentado con un gas comparable al aire de manera que conserve una duracion de vida larga para la membrana activa, y por otra parte, no expulsar a la atmosfera gas neutro tal como nitrogeno.
Ciertamente, de vez en cuando, un poco de nitrogeno puede ser expulsado a la atmosfera pero es expulsado en una cantidad suficientemente pequena para que, en un submarino por ejemplo, esta expulsion pueda ser absorbida por el sistema de regeneracion del aire.
El dispositivo que acaba de ser descrito ha sido descrito con una pila de combustible con membrana intercambiadora de protones, pero se puede adaptar a cualquier pila de combustible que comprenda unas membranas activas destinadas a funcionar en presencia de un gas no demasiado rico en oxfgeno.
Este dispositivo puede ser utilizado por ejemplo para alimentar los auxiliares o asegurar una propulsion suplementaria de un submarino.

Claims (8)

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    REIVINDICACIONES
    1. Pila de combustible (1) del tipo con membrana intercambiadora de protones y concebida para equipar un submarino, que comprende un circuito de alimentacion (6) con gas oxigenado del catodo (3), conectado a una fuente (16) de gas oxigenado rico en oxfgeno y un circuito de evacuacion (7) del gas efluente del catodo (3),
    siendo el gas oxigenado rico en oxfgeno de la fuente (16) un gas que contiene mas del 60%, preferentemente mas del 80% de oxfgeno,
    estando el circuito de evacuacion del gas efluente prolongado hasta el circuito de alimentacion con gas oxigenado aguas arriba del catodo por un circuito de reciclaje (8), de manera que permita la alimentacion del catodo con una mezcla gaseosa que contiene mas del 60% de gas neutro,
    comprendiendo el circuito de reciclaje (8) un sobrealimentador (12) pilotable destinado a aumentar la presion del gas efluente; y
    estando el circuito de alimentacion (6) con gas oxigenado del catodo (3) unido a la fuente (16) de gas oxigenado rico en oxfgeno por medio de un descompresor pilotado (17), y en la que:
    - el circuito de alimentacion con gas oxigenado (6) comprende, entre el punto de union (9) con el circuito de reciclaje (8) del gas efluente y la entrada del catodo (3), un dispositivo (18) para medir el contenido en oxfgeno de la mezcla gaseosa que alimenta el catodo de la pila de combustible,
    - la pila comprende un modulo de control y de regulacion (19) para la regulacion del contenido en oxfgeno de la mezcla gaseosa que alimenta el catodo (3), estando el dispositivo (18) para medir el contenido de oxfgeno de la mezcla gaseosa que alimenta el catodo unido al modulo (19), emitiendo el modulo (19) las ordenes hacia el descompresor pilotado (17) y hacia el sobrealimentador (12); y caracterizada por que:
    - el circuito de reciclaje (8) comprende un medio (13) para realizar un complemento con gas neutro.
  2. 2. Pila segun la reivindicacion 1, en la que el modulo de mando y de regulacion (19) recibe una consigna de potencia (21), permitiendo la regulacion por el modulo de mando y de regulacion (19) del contenido en oxfgeno de la mezcla gaseosa que alimenta el catodo la regulacion de la potencia proporcionada por la pila.
  3. 3. Pila segun la reivindicacion 2, en la que la consigna de potencia (21) es enviada al modulo de mando y de regulacion (19) que es apropiado para elaborar una consigna de contenido en oxfgeno, para comparar esta consigna de contenido en oxfgeno con el contenido en oxfgeno medido con la ayuda del dispositivo (18) para medir el contenido en oxfgeno, y, en funcion de la diferencia constatada, para ajustar, por un lado, las condiciones de funcionamiento del descompresor pilotado (17) y, por otro lado, del sobrealimentador (12), de manera que las condiciones de funcionamiento del circuito sean tales que el contenido en oxfgeno de la mezcla gaseosa que alimenta el catodo con combustible este cerca del valor de consigna.
  4. 4. Pila segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el contenido en oxfgeno de la mezcla gaseosa que alimenta el catodo regulado por el modulo (19) contiene entre el 15 y el 30% de oxfgeno.
  5. 5. Pila segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el circuito de reciclaje (8) comprende un medio
    (10) para evacuar agua contenida en el gas efluente.
  6. 6. Pila segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el circuito de reciclaje (8) comprende un medio
    (11) para purgar por lo menos parcialmente el circuito de gas efluente.
  7. 7. Procedimiento para alimentar con gas oxigenado el catodo (3) de una pila de combustible (1) segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, segun el cual se mezcla un gas oxigenado rico en oxfgeno, que contiene mas del 60% de oxfgeno, preferentemente mas del 80% de oxfgeno, con un gas efluente del catodo de manera que constituya una mezcla gaseosa que alimenta el catodo que contiene mas del 60% de gas neutro, y se regula el contenido en oxfgeno de la mezcla gaseosa que alimenta el catodo alrededor de una consigna que depende de la potencia electrica que debe proporcionar la pila de combustible,
    caracterizado por que, para regular el contenido en oxfgeno de la mezcla gaseosa que alimenta el catodo, se mide el contenido en oxfgeno de la mezcla gaseosa que alimenta el catodo, y se ajusta la presion de alimentacion con oxfgeno y la presion del gas efluente a sobrepresion, en funcion de la diferencia entre la medicion del contenido en oxfgeno y la consigna de contenido en oxfgeno de la mezcla gaseosa que alimenta el catodo, y
    por que, de manera discontinua, se evacua una parte del gas efluente reciclado y se introduce gas neutro nuevo.
  8. 8. Procedimiento segun la reivindicacion 7, en el que se mezcla el gas rico en oxfgeno con todo el gas efluente del
    catodo.
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