ES2825174T3 - Procedimiento y dispositivo para hacer funcionar pilas de combustible con aire artificial - Google Patents

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Abstract

Sistema de pila de combustible (1), que es adecuado para hacerse funcionar con un gas de servicio de cátodo que contiene oxígeno y gas inerte y gas de servicio de ánodo que contiene hidrógeno y gas inerte, que presenta - una disposición de pila de combustible (2) con al menos una pila de combustible (3), en donde la pila de combustible presenta un cátodo (10) con una zona de flujo de cátodo (13) y un ánodo (20) con una zona de flujo de ánodo (23), - una fuente de oxígeno (30), una fuente de hidrógeno (40) y una fuente de gas inerte (50), - un circuito 10 de gas de cátodo (11), que comprende un trayecto de flujo de gas de servicio de cátodo (12) para alimentar el gas de servicio de cátodo a la zona de flujo de cátodo (13) del cátodo (10), la zona de flujo de cátodo (13), un trayecto de flujo de gas de combustión de cátodo (14) para alojar gas de combustión de cátodo desde la zona de flujo de cátodo y para la recirculación del gas de combustión de cátodo hacia el trayecto de flujo de gas de servicio de cátodo (12), y un punto de transición (15), en el que el trayecto de flujo de gas de combustión de cátodo (14) se convierte en el trayecto de flujo de gas de servicio de cátodo (12), - un circuito de gas de ánodo (21), que comprende un trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo (22) para alimentar gas de servicio de ánodo a la zona de flujo de ánodo (23) del ánodo (20), la zona de flujo de ánodo (23), un trayecto de flujo de gas de combustión de ánodo (24) para el alojamiento de gas de combustión de ánodo desde la zona de flujo de ánodo (23) y para la recirculación del gas de combustión de ánodo hacia el trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo (22), y un punto de transición (25), en el cual el trayecto de flujo de gas de combustión de ánodo (24) se convierte en el trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo (22), - un equipo (16) para la separación de agua líquida del gas de combustión de cátodo en el trayecto de flujo de gas de combustión de cátodo (14) y un equipo (26) para la separación de agua líquida del gas de combustión de ánodo en el trayecto de flujo de gas de combustión de ánodo (24), - un equipo (17) para crear un flujo en el circuito de gas de cátodo (11) y un equipo (27) para crear un flujo en el circuito de gas de ánodo (21), en donde el equipo (17) y/o el equipo (27) es preferentemente una bomba o una tobera de chorro, - un sensor de presión (18) en el circuito de gas de cátodo (11), un sensor de presión (28) en el circuito de gas de ánodo (21), un sensor de temperatura (19) en el circuito de gas de cátodo (11) y opcionalmente un sensor de temperatura (29) en el circuito de gas de ánodo (21) para determinar una cantidad real de un gas en el circuito de gas de cátodo (11) y para determinar una cantidad real de un gas en el circuito de gas de ánodo (21), - un trayecto de flujo de gas inerte (51, 52) desde la fuente de gas inerte (50) hacia el punto de transición (15) en el circuito de gas de cátodo (11) o hacia un punto aguas arriba del punto de transición (15), y un trayecto de flujo de gas inerte (51, 54) desde la fuente de gas inerte (50) hacia el punto de transición (25) en el circuito de gas de ánodo (21) o hacia un punto aguas arriba del punto de transición (25), - un trayecto de flujo de oxígeno (31) desde la fuente de oxígeno (30) hacia el punto de transición (15) en el circuito de gas de cátodo (11), y un trayecto de flujo de hidrógeno (41) desde la fuente de hidrógeno (40) hacia el punto de transición (25) en el circuito de gas de ánodo (21), - un equipo para el suministro de gas inerte al circuito de gas de cátodo (11) y hacia el circuito de gas de ánodo (21) hasta alcanzar una cantidad teórica de gas inerte en el circuito de gas de cátodo (11) y el circuito de gas de ánodo (21), - un equipo para el suministro de oxígeno al circuito de gas de cátodo (11) hasta alcanzar una cantidad teórica de oxígeno en el circuito de gas de cátodo (11), y - un equipo para el suministro de hidrógeno al circuito de gas de ánodo (21) hasta alcanzar una cantidad teórica de hidrógeno en el circuito de gas de ánodo (21), - en donde en el sistema de pila de combustible (1) no existe ninguna posibilidad de alojar material desde el entorno o emitirlo a este o almacenar gas de combustión de pila de combustible durante el funcionamiento de la al menos una pila de combustible (3), aparte del almacenamiento de agua en forma líquida.

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento y dispositivo para hacer funcionar pilas de combustible con aire artificial
El objeto de la presente invención es un procedimiento para hacer funcionar un sistema de pila de combustible con gases de servicio, que contienen componentes de gas inertes, un sistema de pila de combustible, que puede hacerse funcionar con componentes de gas inertes que contiene gases de servicio, y un sistema de consumidor, que presenta un sistema de pila de combustible de este tipo. En el procedimiento, el sistema de pila de combustible y el sistema de consumidor, durante el funcionamiento de la pila de combustible ni se emiten al entorno ni se almacenan gases de combustión de pila de combustible. En una forma de realización alternativa, durante el funcionamiento de la pila de combustible al menos ni se almacena ni se emite al entorno gas de combustión de ánodo.
En pilas de combustible se genera energía eléctrica a partir de energía química, el proceso inverso a la electrolisis del agua. La celda individual suministra continuamente corriente al alimentarse la sustancia que va a oxidarse (hidrógeno) y el oxidante (oxígeno) continuamente y al expulsarse continuamente productos de oxidación. Se conocen per se diferentes tipos de pilas de combustible, así como su estructura y modo de trabajo.
Las pilas de combustible son adecuadas para generar corriente para consumidores discrecionales. Suministran la potencia necesaria de manera no contaminante, fiable y con un buen rendimiento.
Uno de los gases de reacción, el oxígeno, se alimenta generalmente en forma de aire, que en el caso más sencillo se extrae del entorno. Tras efectuarse la reacción, el oxígeno residual restante, dado el caso, o el aire empobrecido de oxígeno, incluyendo agua de producto se despide de nuevo al entorno. El otro gas de reacción, hidrógeno, debe extraerse de un depósito de reserva, como, por ejemplo, una botella de gas a presión. Tras efectuarse la reacción el hidrógeno sin consumir no puede emitirse al entorno fácilmente. Por lo tanto, a una pila de combustible puede alimentarse solo tanto hidrógeno, como se consuma en el ánodo, es decir, la pila de combustible, en el lado del ánodo se hace funcionar en el modo de sin salida (dead-end), o el gas de combustión de ánodo retorna circulando y/o el hidrógeno sin consumir en el gas de combustión de ánodo se aprovecha de otro modo, por ejemplo, para hacer funcionar un quemador.
Algunos campos de utilización de pilas de combustible requieren que durante el funcionamiento de las pilas de combustible no exista contacto directo alguno con el entorno, por ejemplo, la utilización en un sistema hermetizado, como un vehículo submarino. En una utilización de este tipo, para el gas de reacción oxígeno se aplica lo mismo que por lo demás para el hidrógeno: El oxígeno debe alimentarse desde un depósito de reserva, como por ejemplo, un depósito de gas a presión, y después de la reacción no puede emitirse al entorno un posible oxígeno sin consumir. También, el agua de producto que se forma en la reacción debe permanecer dentro del sistema hermetizado.
Se producen problemas, cuando las pilas de combustible deben hacerse funcionar dentro de un sistema hermetizado no con hidrógeno puro y oxígeno puro, sino cuando al menos uno de los gases de alimentación alimentados también contiene partes inertes, es decir, partes que no reaccionan dentro de las pilas de combustible. Este es el caso normalmente en el lado del cátodo. En el uso de oxígeno en forma pura o en una alta concentración el catalizador del cátodo se oxidaría rápidamente, lo que llevaría a una degradación y finalmente a la destrucción del catalizador y con ello a una paralización de la reacción de la pila de combustible. Es recomendable, emplear oxígeno en una concentración de no más del 50 por ciento en volumen.
Por lo tanto, en pilas de combustible generalmente se utiliza oxígeno en forma de aire como gas de servicio. El aire contiene escasamente 21 por ciento en volumen de oxígeno, aproximadamente 78 por ciento en volumen de nitrógeno, resto principalmente argón, además dióxido de carbono y diversos gases nobles adicionales en cantidades mínimas.
La desventaja del uso de aire o en general de gases, que contienen componentes inertes, es que estos componentes inertes abandonan las pilas de combustible sin modificarse, de modo que en un sistema hermetizado, durante el funcionamiento de la pila de combustible se acumulan grandes cantidades de gases de combustión, que deben recogerse en alguna parte, dado el caso en forma comprimida o licuada. Si embargo, la previsión de depósitos colectores de gas de combustión de suficiente tamaño no es factible, y la compresión o incluso la licuación de los gases de combustión desperdiciaría una parte significativa de la energía de pila de combustible generada. Si una pila de combustible en un sistema hermetizado por ejemplo, se hiciera funcionar con aire desde una botella de gas a presión, al menos 79 por ciento en volumen del gas alimentado (al menos las partes inertes) no reaccionarían. El gas de combustión tampoco podría hacerse recircular, aunque todavía contuviera un porcentaje considerable de oxígeno sin reaccionar, dado que de este modo con un aumento de la duración de servicio se alimentarían cada vez más gases inertes a las pilas de combustible. La potencia de pila de combustible se reduciría, y con un enriquecimiento creciente de los gases inertes en el circuito de gas la reacción de pila de combustible en cualquier momento se paralizaría.
Hasta el momento no era posible hacer funcionar pilas de combustible con gases de servicio que contienen partes inertes, como por ejemplo, aire, en sistemas hermetizados, dado que para el alojamiento de los gases de combustión de pila de combustible inertes en las condiciones de temperatura y de presión del sistema se necesitaría demasiado espacio de almacenamiento y/o para la compresión o licuación de los gases de combustión inertes se necesitaría demasiada energía (sin que se eliminara a este respecto por completo el problema del espacio).
El objetivo de la presente invención por tanto es permitir el funcionamiento de pilas de combustible con gases de servicio, que contienen partes inertes, como por ejemplo, aire, en sistemas de consumidor hermetizados, en particular en sistemas de consumidor hermetizados de espacios estrechos, como por ejemplo, vehículos submarinos.
El objetivo de la presente invención es en particular, facilitar un procedimiento y un dispositivo para hacer funcionar pilas de combustible en un sistema de consumidor hermetizado, en particular un sistema de consumidor hermetizado de espacio estrecho, como por ejemplo, un vehículo submarino, en donde a las pilas de combustible se alimenta un gas de servicio, que contiene partes inertes, como por ejemplo, aire.
El objetivo de la presente invención es también, facilitar un sistema de consumidor de funcionamiento con pilas de combustible como un vehículo, que emplea un gas de servicio que contiene componentes de gas inertes, como aire para el funcionamiento de las pilas de combustible, sin emitir durante el funcionamiento de la pila de combustible gas de combustión de celda de combustible al entorno y sin disponer de un equipo para el almacenamiento del gas de combustión de celda de combustible.
El objetivo de la presente invención es además facilitar un procedimiento, un dispositivo y un sistema de consumidor, en el que se emplee aire ambiente como gas de servicio de cátodo, y tras la reacción de pila de combustible se emita como gas de combustión de cátodo al entorno, mientras que para la duración del funcionamiento de la pila de combustible no se emita ningún gas de combustión de ánodo al entorno, pero que tampoco se almacene.
Los objetivos se resuelven mediante el sistema de pila de combustible, el sistema de consumidor y el procedimiento para hacer funcionar un sistema de pila de combustible, en cada caso con las características tal como se indican en las reivindicaciones independientes. En las reivindicaciones dependientes respectivas se indican formas de realización de la invención.
El sistema de pila de combustible de acuerdo con la invención y el sistema de consumidor de acuerdo con la invención son "sistemas compactos hermetizados". Son sistemas hermetizados en el sentido de que durante el funcionamiento ni absorben material del entorno ni emiten material al entorno, y son sistemas compactos en el sentido de que no generan ningún gas de combustión (en el sentido de "gas, que debe emitirse") y por tanto no disponen de depósitos de almacenamiento para el almacenamiento de gas de combustión, en forma gaseosa o licuada. De este modo en sistemas de consumidor de espacios estrechos puede alcanzarse un ahorro de espacio considerable. Esto se consigue de acuerdo con la invención porque los gases de servicio de pilas de combustible, que en cada caso aparte de los gases de reacción hidrógeno u oxígeno también contienen componentes de gas inertes, no se mezclan hasta el funcionamiento del sistema de pila de combustible desde los componentes respectivos, y los gases de combustión de pila de combustible, que contienen gases de reacción inertes, y dado el caso, también sin utilizar, se hacen recircular. Mediante la adición continua de los gases de reacción consumidos se forman continuamente de nuevo gases de servicio, que pueden alimentarse a las pilas de combustible. Por tanto, el sistema de pila de combustible de acuerdo con la invención se defiende bien con una cantidad de gas inerte muy reducida, dado que la cantidad de gas inerte introducida al comienzo del funcionamiento de la pila de combustible se guía continuamente en círculo. No se forma ningún tipo de gas de combustión no recuperable, que tenga que almacenarse o despedirse. Como producto de reacción se forma únicamente agua, que sin un tratamiento especial para su licuación pueda almacenarse en forma líquida y por tanto solo se requiera poco espacio.
En una variante del sistema de pila de combustible de acuerdo con la invención ahora se hace recircular solo el gas de combustión de ánodo, mientras que el gas de combustión de cátodo se despide al entorno.
A continuación se explican los términos empleados para la descripción de la presente invención:
El gas de servicio de ánodo o en el cátodo es el gas alimentado al ánodo o al cátodo de una pila de combustible. El gas de servicio contiene el gas de reacción y componentes de gas inertes (gas inerte) y dado el caso agua en forma gaseosa.
El gas de reacción de ánodo o de cátodo es el componente del gas de servicio que participa en la reacción de pila de combustible. En la presente invención el gas de reacción de ánodo es hidrógeno y el gas de reacción de cátodo es oxígeno.
El componente de gas inerte (gas inerte) es, además de agua en forma gaseosa contenida, dado el caso, es el componente del gas de servicio de ánodo o de cátodo, que no participa en la reacción de pila de combustible, es decir, no reacciona dentro de la pila de combustible, y abandona la pila de combustible en el gas de combustión de celda de combustible.
El gas de combustión de ánodo o de cátodo es el material, que abandona las pilas de combustible tras realizarse la reacción de los gases de servicio. El gas de combustión de celda de combustible puede contener también componentes líquidos, por ejemplo, agua de reacción.
Una disposición de pila de combustible comprende una o varias pilas de combustible, que pueden formar uno o varios montones de pilas de combustible.
Un sistema de pila de combustible es una disposición de pila de combustible incluyendo los componentes necesarios para el funcionamiento de las pilas de combustible, como por ejemplo, depósitos de reserva de gas, conductos, bombas, válvulas, etc.
Un sistema de consumidor es un aparato estacionario o móvil, como por ejemplo, un vehículo, que presenta un sistema de pila de combustible y que se hace funcionar mediante energía eléctrica, que se genera al menos parcialmente mediante el sistema de pila de combustible.
Un sistema hermetizado (sistema de pila de combustible o sistema de consumidor) es un sistema móvil o estacionario, en el que no existe ninguna posibilidad, durante la misión que va a llevarse a cabo por el sistema, de alojar materiales, como por ejemplo, gases de servicio del entorno o emitir al entorno materiales como por ejemplo, gases de combustión.
Un sistema compacto (sistema de pilas de combustible o sistema compacto de combustible) es un sistema móvil o estacionario sin posibilidad de almacenamiento para gas de combustión de celda de combustible en forma gaseosa o líquida, aparte de agua almacenada en forma líquida.
En un sistema compacto hermetizado no existe ni la posibilidad de alojar material del entorno (por ejemplo, de la atmósfera) o emitirlo a este durante el funcionamiento de las pilas de combustible, ni la posibilidad de almacenar gas de combustión de celda de combustible (aparte de agua en forma líquida). Las relaciones de espacio dentro de determinados sistemas de consumidor pueden requerir que los componentes individuales del sistema de pila de combustible, por ejemplo, depósitos de gas, no puedan instalarse en inmediata cercanía de la disposición de pila de combustible. Un sistema de este tipo se contempla como sistema compacto de pilas de combustible hermetizado o como sistema compacto de consumidor hermetizado, siempre y cuando los componentes en cuestión estén alojados en o al lado del sistema de consumidor.
Un sistema compacto hermetizado en el lado del ánodo es un sistema de pila de combustible o un sistema de consumidor, en el que no existe ninguna posibilidad, durante el funcionamiento de las pilas de combustible de alojar del entorno gas de servicio de ánodo o emitir al entorno o almacenar gas de combustión de ánodo (aparte de agua en forma líquida). Un sistema compacto "semicerrado" reúne la ventaja de la manejabilidad con la ventaja, de que puede funcionar sin problemas en espacios cerrados.
La parte esencial del sistema de pila de combustible de acuerdo con la invención es una disposición de pila de combustible, que presenta al menos una pila de combustible. Habitualmente una disposición de pila de combustible presenta una pluralidad de pilas de combustible, que están dispuestas en forma de una pila de pilas de combustible. En la presente invención se emplean preferentemente pilas de combustible de membrana polimérica. Las pilas de combustible se construyen de manera conocida. A través de cada pila de combustible en el lado del ánodo fluye gas de servicio de ánodo y en el lado del cátodo fluye gas de servicio de cátodo. Las zonas correspondientes en la presente invención se denominan zona de flujo de cátodo y zona de flujo de ánodo.
El sistema de pila de combustible hermetizado presenta dos circuitos de gas cerrados, que incluyen ambos la disposición de pila de combustible. El circuito de gas de cátodo comprende un trayecto de flujo de gas de servicio de cátodo, la zona de flujo de cátodo y un trayecto de flujo de gas de combustión de cátodo, y el circuito de gas de ánodo comprende un trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo, la zona de flujo de ánodo y un trayecto de flujo de gas de combustión de ánodo. En el trayecto de flujo de gas de servicio de cátodo fluye gas de servicio fresco en el cátodo hacia la disposición de pila de combustible, atraviesa la zona de flujo de cátodo de la disposición de pila de combustible (es decir, las zonas de flujo de cátodo de todas las pilas de combustible de la disposición), y finalmente el gas de combustión de cátodo abandona la disposición de pila de combustible en el trayecto de flujo de gas de combustión de cátodo. Del mismo modo en el trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo fluye gas de servicio de ánodo nuevo hacia la disposición de pila de combustible, atraviesa la zona de flujo de ánodo de la disposición de pila de combustible (es decir, las zonas de flujo de ánodo de todas las pilas de combustible de la disposición), y finalmente el gas de combustión de ánodo abandona la disposición de pila de combustible en el trayecto de flujo de gas de combustión de ánodo.
En un sistema semicerrado, solo el circuito de gas de ánodo está cerrado. En el lado del cátodo el sistema presenta un trayecto de flujo de gas de cátodo abierto, que comprende un trayecto de flujo de gas de servicio de cátodo, una zona de flujo de cátodo y un trayecto de flujo de gas de combustión de cátodo. En el trayecto de flujo de gas de servicio de cátodo fluye aire, que preferentemente se extrae del entorno y se alimenta por medio de un equipo para el suministro de aire como un soplador, ventilador o aspirador.
En general el gas de servicio de cátodo presenta una concentración de oxígeno determinada, es decir, un valor teórico predeterminado de la concentración de oxígeno, que asciende a menos de 100 por ciento en volumen, preferentemente 20 a 50 por ciento en volumen, de manera especialmente preferente 30-40 por ciento en volumen, del gas de servicio de cátodo. El gas de servicio de ánodo presenta una determinada concentración de hidrógeno, es decir, un valor teórico predeterminado de la concentración de hidrógeno, que preferentemente asciende de 50 a 100 por ciento en volumen, de manera especialmente preferente 100 por ciento en volumen, del gas de servicio de ánodo. En la presente invención, debido a la compensación de presión parcial la concentración de gas de servicio de cátodo aproximadamente debe ser igual a la concentración de gas de servicio de ánodo. Una buena solución intermedia consiste en ajustar en el sistema cerrado de la presente invención tanto la concentración de hidrógeno como la concentración de oxígeno en aproximadamente 40 a 50 por ciento en volumen, de manera especialmente preferente 50 por ciento en volumen. En el sistema semicerrado el valor teórico de la concentración de oxígeno en el gas de servicio de cátodo está predeterminado por el contenido de oxígeno del aire, es decir, aproximadamente 21 por ciento en volumen. Por tanto, la concentración de hidrógeno debe ajustarse igualmente a aproximadamente 21 por ciento en volumen.
El gas de combustión de cátodo se ha empobrecido en oxígeno o ya no contiene oxígeno alguno, y el gas de combustión de ánodo se ha empobrecido en hidrógeno o ya no contiene hidrógeno alguno. Sin embargo el gas de combustión de ánodo y el gas de combustión de cátodo contienen agua gaseosa y líquida, por ejemplo, de la reacción de pila de combustible. El gas de combustión de ánodo y el gas de combustión de cátodo son gases "consumidos", que ya no sirven para la reacción de pila de combustible. Por lo tanto deberían despedirse del sistema, lo que no es posible en determinados casos. De acuerdo con la invención, en un sistema hermetizado los gases de combustión se alimentan a los gases de servicio correspondientes (recirculan), es decir, el trayecto de flujo de gas de combustión de cátodo y el trayecto de flujo de gas de servicio de cátodo, así como el trayecto de flujo de gas de combustión de ánodo y el trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo "se encuentran" en cada caso en un punto de transición, de modo que se forman un circuito cerrado de gas en el cátodo y un circuito cerrado de gas en el ánodo. Sin las medidas de acuerdo con la invención explicadas a continuación esta recirculación llevaría a que, tanto en el circuito de gas de cátodo como en el circuito de gas de ánodo los componentes de gas inertes y el agua se enriquecieran en poco tiempo en gran medida y la reacción de pila de combustible se paralizase. En un sistema semicerrado solo el gas de combustión de ánodo se hace recircular, mientras que el gas de combustión de cátodo se despide al entorno desde el trayecto de flujo de gas de combustible de cátodo abierto.
De acuerdo con la invención, por tanto en un sistema hermetizado en el trayecto de flujo de gas de servicio de cátodo se determina regularmente o continuamente la concentración de oxígeno, y en el trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo regularmente o continuamente se determina la concentración de hidrógeno. La diferencia con respecto al valor teórico predeterminado de la concentración de oxígeno o de la concentración de hidrógeno se complementa mediante la alimentación de oxígeno desde un depósito de reserva de oxígeno hasta alcanzar el valor teórico de oxígeno predeterminado en el trayecto de flujo de gas de servicio de cátodo, y mediante alimentación de hidrógeno desde un depósito de reserva de hidrógeno hasta alcanzar el valor teórico de hidrógeno predeterminado en el trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo. El punto de alimentación de oxígeno al circuito de gas de cátodo define el punto de transición, en el que el trayecto de flujo de gas de combustión de cátodo se convierte en el trayecto de flujo de gas de servicio de cátodo. El punto de alimentación de hidrógeno al circuito de gas de ánodo define el punto de transición, en el que el trayecto de flujo de gas de combustión de ánodo pasa hacia el trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo. En un sistema semicerrado puede partirse del hecho de que la concentración de oxígeno asciende aproximadamente a 21 por ciento en volumen, y puede añadirse tanto hidrógeno de modo que en el trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo se mantenga una concentración de hidrógeno de 21 por ciento en volumen, o determinar de forma precisa la concentración de oxígeno y añadir hidrógeno de forma correspondiente, lo que es preferente.
La cantidad de oxígeno e hidrógeno, que debe añadirse en cada caso (En un sistema semicerrado solo debe añadirse hidrógeno. No es necesario un reabastecimiento de oxígeno, dado que continuamente llega aire fresco al sistema), puede determinarse por ejemplo, por la ley de los gases ideal, que proporciona buenos resultados para mezclas de gases, que principalmente se componen de hidrógeno y gas inerte u oxígeno y gas inerte. El volumen del circuito de gas de cátodo y del circuito de gas de ánodo es conocido, y la presiones y temperaturas que reinan en los circuitos de gas pueden medirse. Además, se conoce la cantidad de gas inerte, que se encuentra en el circuito de gas de cátodo y el circuito de gas de ánodo, es decir, la presión parcial de gas inerte ejercida por el gas inerte en el circuito de gas de cátodo y el circuito de gas de ánodo. Al valor teórico predeterminado de la concentración de oxígeno corresponde una presión teórica en el trayecto de flujo de gas de servicio de cátodo, y al valor teórico predeterminado de la concentración de hidrógeno corresponde una presión teórica en el trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo. De la diferencia entre la presión teórica y la presión medida en el trayecto de flujo de gas de servicio de cátodo resulta la cantidad de oxígeno que va a dosificarse, y de la diferencia entre la presión teórica y la presión medida en el trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo resulta la cantidad de hidrógeno que va a dosificarse. En la presente invención están previstos equipos adecuados para compensar las presiones medidas con presiones teóricas predeterminadas y para el suministro de las cantidades de gas necesarias. Los equipos adecuados de este tipo son, por ejemplo, reductores de presión en el trayecto de flujo de oxígeno hacia el circuito de gas de cátodo o en el trayecto de flujo de hidrógeno hacia el circuito de gas de ánodo. El agua de producto que se forma en la reacción o el porcentaje de agua de producto en forma gaseosa en las mezclas de gas puede calcularse al comienzo y considerarse en el ajuste de la presión de gas inerte requerida.
Las presiones parciales en el circuito de gas de ánodo y en el circuito de gas de cátodo o trayecto de flujo de gas de cátodo son iguales y están situadas preferentemente en el intervalo de 300 bis 1000 hPa (sobrepresión). Las temperaturas son también iguales y están situadas preferentemente en el intervalo de 54 °C a 65 °C.
En un sistema semicerrado el mantenimiento de una presión teórica deseada en el trayecto de flujo de gas de cátodo se garantiza mediante la previsión de un equipo en el trayecto de flujo de gas de combustión de cátodo, que al alcanzar la presión teórica libera el trayecto de flujo hacia afuera y al mismo tiempo impide un posible flujo desde fuera hacia el interior del trayecto de flujo de gas de combustión de cátodo. Los equipos adecuados son, por ejemplo, una válvula de retención como una válvula de retención cargada por resorte, o una válvula de regulación. La entrada del gas de servicio aire se realiza en el sistema semicerrado preferentemente mediante un equipo, que genera al mismo tiempo una velocidad de flujo en el trayecto de flujo de gas de cátodo, como, por ejemplo, un soplador. Un reabastecimiento de oxígeno no es necesario. Se reabastece hidrógeno como se ha descrito anteriormente para el sistema cerrado.
Como alternativa a mantener constante las presiones en el circuito de gas de cátodo y el circuito de gas de ánodo también pueden mantenerse constantes los desplazamientos volumétricos. Para este fin, han de preverse medidores de desplazamiento volumétrico en el circuito de gas de cátodo o el circuito de gas de ánodo. Por medio de los reductores de presión se reabastece entonces en cada caso tanto oxígeno (solo en el sistema hermetizado) o hidrógeno de modo que los desplazamientos volumétricos en el circuito de gas de cátodo y el circuito de gas de ánodo permanezcan constantes. Si en lugar de medidores de desplazamiento volumétrico se emplean reguladores de desplazamiento volumétrico, no son necesarios reductores de presión. Más bien, el suministro de las cantidades necesarias de los gases respectivos puede realizarse mediante los reguladores de desplazamiento volumétrico. Se impide un enriquecimiento continuo de agua en el circuito de gas de cátodo y el circuito de gas de ánodo de un sistema hermetizado, al conducirse el gas de combustión de cátodo y el gas de combustión de ánodo en cada caso mediante equipos para la separación de agua líquida. Los equipos adecuados de este tipo son, por ejemplo, separadores de agua. El agua líquida se acumula en los separadores de agua, mientras que el gas inerte, agua en forma gaseosa y posible oxígeno sin consumir presente en el gas de combustión o hidrógeno sin consumir se hacen recircular hacia el trayecto de flujo de gas de servicio de cátodo o el trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo. En un sistema semicerrado los separadores de agua en el trayecto de flujo de gas de cátodo son opcionales.
Para una función fiable y uniforme de las pilas de combustible es también muy importante que el gas de servicio de cátodo y el gas de servicio de ánodo se distribuyan de la manera más homogénea posible en todas las pilas de combustible de la disposición de pila de combustible y en todas las regiones de las zonas de flujo de cátodo o zonas de flujo de ánodo y que en particular las zonas de flujo de cátodo y las zonas de flujo de ánodo se mantengan libres de agua líquida. De acuerdo con la invención esto se consigue mediante la generación de una velocidad de flujo adecuada de los gases en el circuito de gas de cátodo y el circuito de gas de ánodo. Una velocidad de flujo adecuada en el circuito de gas de cátodo y en el circuito de gas de ánodo es por ejemplo, en cada caso aproximadamente de 2 a 4 m/s, preferentemente en cada caso aproximadamente 3 m/s. Para mantener las velocidades de flujo, por ejemplo, pueden preverse una bomba de recirculación en el trayecto de flujo de gas de combustión de cátodo y una bomba de recirculación en el trayecto de flujo de gas de combustión de ánodo. El trasvase por bomba de los gases proporciona además una mezcla homogénea de las componentes de gas. Sin una creación artificial de un flujo en el circuito de gas de cátodo y en el circuito de gas de ánodo, por ejemplo, mediante una bomba de recirculación, si bien el oxígeno consumido se reemplazaría por oxígeno reabastecido y el hidrógeno consumido por el hidrógeno reabastecido, sin embargo la distribución de los gases de reacción reabastecidos transcurriría lenta y nada homogénea, y el agua de reacción formada no se evacuaría de las pilas de combustible. Las pilas de combustible se harían funcionar prácticamente en el funcionamiento sin salida. Las pilas de combustible finalmente se "inundarían" y la reacción de pila de combustible se paralizaría. En un sistema semicerrado los equipos como una bomba en el trayecto de flujo de gas de cátodo son opcionales, dado que como fuente de aire se emplean normalmente equipos, que de por sí proporcionan ya un flujo, por ejemplo, sopladores.
La bomba de recirculación se hace funcionar desde el principio. Durante el funcionamiento, preferentemente a distancias regulares, dependiendo de la generación de energía, se aumenta a corto plazo la potencia de bombeo, por ejemplo, a distancias de aproximadamente 3 amperios-hora. Así, se evita un estancamiento de gas o una acumulación de agua en "esquinas muertas". En lugar de una bomba de recirculación puede emplearse también una tobera de chorro, por ejemplo, una tobera de Venturi.
Si el sistema de pila de combustible suministrara energía durante periodos más prolongados, por ejemplo, durante varios días o varias semanas, se producirían también cantidades de agua de reacción mayores. En un caso así es útil, configurar los equipos para la separación de agua en los trayectos de flujo de gas de combustión de modo que el agua líquida separada puede dejarse salir y acumularse en un depósito colector mayor independiente. Para ello, por ejemplo, los separadores de agua en los trayectos de flujo de gas de combustión se equipan con interruptores de nivel de llenado y válvulas de descarga de agua. Cuando el agua en los separadores de agua ha alcanzado un nivel de llenado determinado, la válvula de descarga de agua se abre durante un tiempo predeterminado, por ejemplo, aproximadamente 2 s, y el agua saliente se conduce hacia un depósito colector mayor, ventajosamente respaldado por una bomba de agua. Para garantizar que no pueda salir gas de los trayectos de flujo de gas de combustión a través de los separadores de agua, también en la salida de los separadores de agua pueden preverse interruptores de nivel de llenado, que cierran oportunamente las válvulas de descarga de agua. Las válvulas de descarga de agua y los interruptores de nivel de llenado respectivos pueden preverse en cada caso en el lado del ánodo y/o en el lado del cátodo. En sistemas semicerrados los separadores de agua en el lado del cátodo son opcionales.
Como se indica anteriormente, la disposición de pila de combustible se hace funcionar con un gas de servicio de cátodo y un gas de servicio de ánodo, presentando la concentración de oxígeno en el gas de servicio de cátodo un valor teórico predeterminado, presentando la concentración de hidrógeno en el gas de servicio de ánodo igualmente un valor teórico predeterminado. Sin embargo, antes de que el sistema de pila de combustible pueda retomar el funcionamiento con las concentraciones predeterminadas de oxígeno e hidrógeno, entonces estas concentraciones deben ajustarse. Para este fin, en cada puesta inicial de funcionamiento de un sistema de pila de combustible hermético, y antes de la puesta inicial en funcionamiento de la disposición de pila de combustible, el circuito de gas de cátodo y el circuito de gas de ánodo se llenan con la cantidad de gas inerte necesaria para el funcionamiento del sistema de pila de combustible. La cantidad de gas inerte necesaria puede calcularse de nuevo mediante la ley de gases ideal, dado que tanto los volúmenes del circuito de gas de cátodo y del circuito de gas de ánodo como los valores teóricos deseados de la concentración de oxígeno y de la concentración de hidrógeno, así como las condiciones operativas des sistema de pila de combustible y la temperatura de llenado se conocen. Igualmente se conoce la cantidad de agua en forma gaseosa, que se forma en la reacción de pila de combustible y que se arrastra en el circuito de gas de cátodo y el circuito de gas de ánodo. Esta cantidad puede calcularse por la electrónica del sistema al principio y considerarse en el ajuste de la presión de gas inerte requerida.
En predeterminadas condiciones operativas (presión, temperatura) del sistema de pila de combustible el gas en el circuito de gas de cátodo de un sistema hermetizado tiene una presión predeterminada (presión teórica) y una temperatura predeterminada. Una concentración de oxígeno deseada, es decir predeterminada (concentración de oxígeno teórica) en el gas de servicio de cátodo corresponda a este respecto a una determinada presión parcial de oxígeno (presión parcial de oxígeno teórica) y una presión parcial de gas inerte determinada (presión parcial de gas inerte teórica) en el gas de servicio de cátodo. De manera análoga, el gas en el circuito de gas de ánodo tiene una concentración de hidrógeno deseada, es decir, predeterminada (concentración teórica de hidrógeno), que corresponde a una presión parcial de hidrógeno determinada (presión parcial de hidrógeno teórica) y una presión parcial de gas inerte teórica en el gas de servicio de ánodo.
Antes de la puesta inicial de funcionamiento de la disposición de pila de combustible o antes del comienzo de la toma de presión desde la disposición de pila de combustible de un sistema hermetizado, las mezclas de gas de servicio en el circuito de gas de cátodo y el circuito de gas de ánodo se preparan a partir de los componentes respectivos, que sen encuentran en cada caso en depósitos de reserva adecuados, por ejemplo, botellas de gas a presión. Hay depósitos de reserva separados para gas inerte, hidrógeno y oxígeno.
Como gas inerte se emplea preferentemente nitrógeno. La invención se describe a continuación mediante nitrógeno como gas inerte, es decir, el gas de servicio de cátodo es " aire artificial". Sin embargo, la presente invención no está limitada de ningún modo al nitrógeno como gas inerte. Más bien, en un sistema hermetizado pueden emplearse también otros gases inertes, como gases nobles. Un gas noble preferido es helio, con el que pueden alcanzarse potencias de pila de combustible especialmente altas, dado que su presencia impide la reacción de pila de combustible en menor medida que por ejemplo, la presencia de nitrógeno. En el circuito de gas de cátodo y en el circuito de gas de ánodo se emplea el mismo gas inerte. En el funcionamiento con aire natural el gas inerte es naturalmente siempre nitrógeno.
Antes de la puesta inicial de funcionamiento los circuitos de gas se encuentran bajo presión atmosférica y se llenan con gas inerte. En caso necesario, antes de la puesta inicial en funcionamiento se lleva a cabo un barrido con el gas inerte, que se emplea durante el funcionamiento, por ejemplo, nitrógeno. Entonces, el circuito de gas de cátodo se llena con gas inerte (en este caso, nitrógeno) hasta que se haya alcanzado la presión de nitrógeno correspondiente a la presión parcial de gas. A este respecto cabe considerar que durante el llenado, generalmente, domina otra temperatura que la temperatura de servicio, normalmente una más baja. La presión de nitrógeno, que se ajusta en el circuito de gas de cátodo, debe adaptarse en correspondencia. Al mismo tiempo, con el llenado del circuito de gas de cátodo el circuito de gas de ánodo se llena con nitrógeno, es decir, en el circuito de gas de ánodo se ajusta la misma presión de nitrógeno que en el circuito de gas de cátodo, o a la inversa. Es necesario llenar ambos circuitos de gas aproximadamente al mismo tiempo, puede si solo se llenara con nitrógeno uno de los dos circuitos de gas, el nitrógeno se difundiría en las pilas de combustible a través de las membranas de pila de combustible hacia el lateral con la presión parcial de nitrógeno menor. Este proceso duraría hasta que se alcance una compensación de presión parcial, es decir, a ambos lados de las membranas reina la misma presión de nitrógeno.
El nitrógeno se alimenta desde un depósito de reserva de gas inerte al circuito de gas de cátodo y el circuito de gas de ánodo, por ejemplo, en el mismo punto, en el que se alimentan también oxígeno o hidrógeno. Como alternativa son posibles también otros puntos de alimentación. El ajuste de la presión parcial de nitrógeno necesaria puede llevarse a cabo de manera análoga al ajuste de las presiones de gas de servicio teóricas, es decir, se miden, preferentemente presión y temperatura en los circuitos de gas de pila de combustible (circuito de gas de cátodo y circuito de gas de ánodo), se calcula, el nivel que debe tener la presión parcial de nitrógeno en la temperatura medida, y después, mediante un equipo como un reductor de presión en el trayecto de flujo de gas inerte la presión de nitrógeno medida se compara con la presión parcial de nitrógeno teórica y se conduce nitrógeno, hasta que la presión de nitrógeno medida corresponda a la presión de nitrógeno teórica. Como alternativa puede medirse también el desplazamiento másico y como equipo para el suministro de gas inerte emplearse, por ejemplo, un regulador de desplazamiento másico.
Después se carga oxígeno e hidrógeno en el circuito de gas de cátodo o en el circuito de gas de ánodo hasta que la presión teórica de gas de servicio de cátodo- o la presión teórica de gas de servicio de ánodo se alcance, considerando la temperatura que reina durante el llenado. La alimentación de oxígeno y la alimentación de hidrógeno debería suceder preferentemente en esencia al mismo tiempo, para mantener la presión diferencial entre el lado de ánodo y el lado de cátodo in den pilas de combustible lo más reducida posible. Se ajusta una relación de concentración definida de hidrógeno respecto a oxígeno. La presión diferencial entre la presión parcial de gas inerte ajustada y la presión de gas de servicio ajustada (presión de gas de servicio de ánodo, presión de gas de servicio de cátodo) corresponde a la presión parcial de gas de reacción (presión parcial de oxígeno, presión parcial de hidrógeno). La relación de presión parcial de hidrógeno respecto a la presión parcial de oxígeno corresponde a la relación de concentración de hidrógeno respecto a oxígeno. En la presente invención las presiones parciales de hidrógeno y oxígeno son aproximadamente iguales. Dado que durante la reacción se consume el doble de hidrógeno que de oxígeno, durante el funcionamiento de la pila de combustible debe recargarse una cantidad de hidrógeno correspondientemente más alta.
Después del ajuste de las concentraciones teóricas de hidrógeno y oxígeno en los gases de servicio de pila de combustible puede realizarse la puesta inicial de funcionamiento de la disposición de pila de combustible, es decir, el comienzo del funcionamiento continuo y la toma de corriente eléctrica.
En un sistema semicerrado, que presenta un circuito de gas de ánodo cerrado y un trayecto de flujo de gas de cátodo abierto, antes de la puesta inicial en funcionamiento del sistema de pila de combustible solo necesita ajustarse en el circuito de gas de ánodo la concentración de hidrógeno predeterminada. Este corresponde a la concentración de oxígeno en el aire del ambiente, que se emplea en el lado del cátodo como gas de servicio. En condiciones operativas, en el circuito de gas de ánodo y en el trayecto de flujo de gas de cátodo reinan las mimas temperaturas y presiones de gas de servicio teóricas, de manera análoga al sistema cerrado.
En un sistema semicerrado, primeramente, al trayecto de flujo de gas de cátodo se alimenta aire y al mismo tiempo se deja entrar nitrógeno al circuito de gas de ánodo, ajustándose una presión parcial de nitrógeno, que corresponde a la presión parcial de nitrógeno en el aire en el trayecto de flujo de gas de cátodo. A continuación se introduce hidrógeno al circuito de gas de ánodo, hasta que en el circuito de gas de ánodo y el trayecto de flujo de gas de cátodo reine la misma presión. El modo de proceder es el principio el mismo que se ha descrito anteriormente para un sistema hermético, con la excepción de que las etapas anteriormente descritas solo se llevan a cabo en el lado del ánodo, mientras que en el lado del cátodo fluye aire constantemente a través del trayecto de flujo de gas de cátodo. En este modo de procedimiento, inicialmente hay una diferencia de presión entre el circuito de gas de ánodo y el trayecto de flujo de gas de cátodo, que sin embargo se sitúa en el intervalo tolerable.
Tras la desconexión del sistema de pila de combustible, queda gas en los trayectos de flujo de gas y agua líquida en los depósitos de absorción de agua. Antes de una nueva puesta inicial de funcionamiento del sistema de pila de combustible el agua debería vaciarse de los depósitos de absorción de agua y preferentemente también el gas debería eliminarse del circuito de gas de cátodo o el trayecto de flujo de gas de cátodo y el circuito de gas de ánodo. Para este fin pueden preverse aberturas o válvulas adecuadas en los depósitos o los trayectos de flujo de gas. Preferentemente, entre dos funcionamientos o entre dos tiempos de funcionamiento del sistema de pila de combustible el circuito de gas de cátodo o el trayecto de flujo de gas de cátodo y el circuito de gas de ánodo se barre con gas inerte, para eliminar el posible agua residual y para facilitar un llenado de gas adecuado para un nuevo arranque del sistema.
Cuando el sistema de pila de combustible, debe hacerse funcionar en caso de una sobrepresión relativamente baja y/o una concentración de gas inerte relativamente baja, puede ser que la cantidad de gas inerte, que se encuentra antes de la puesta inicial en funcionamiento en los circuitos de gas, sea demasiado grande, es decir, la presión parcial de gas inerte teórica que va a ajustarse es más baja que la presión atmosférica o presión ambiente. En un caso así, los circuitos de gas (o el circuito de gas de ánodo en un sistema semicerrado) se evacuan hasta la presión parcial de gas inerte teórica deseada o hasta una presión por debajo de la presión parcial de gas inerte teórica que va a ajustarse y después se ajusta la presión parcial de gas inerte teórica deseada mediante suministro de gas inerte.
Para despedir el menos hidrógeno posible al entorno, es decir, a la atmósfera, puede conmutarse una así llamada resistencia de sangrado entre la placa terminal de ánodo y placa terminal de cátodo. La resistencia de sangrado que puede conectarse adicionalmente lleva a que, tras la desconexión del sistema, los gases de reacción que quedan en el sistema se consuman y esencialmente quede atrás gas inerte en el circuito de gas de cátodo y el circuito de gas de ánodo.
Por razones de seguridad es preferente, prever en el circuito de gas de cátodo o el trayecto de flujo de gas de cátodo y/o el circuito de gas de ánodo, preferentemente en ambos, en cada caso un interruptor de presión, que vigila la presión del gas de servicio de cátodo o del gas de servicio de ánodo y al superar la presión máxima el sistema a través de un circuito de seguridad conmuta a un estado seguro. Al superar la presión máxima se interrumpe el suministro de gas. La interrupción del suministro de gas se registra mediante la lógica de seguridad del sistema de pila de combustible y el sistema se desconecta.
Como equipos de seguridad adicionalmente, en los trayectos de flujo de gas, desde los depósitos de reserva de gas hacia el circuito de gas de cátodo o el circuito de gas de ánodo pueden preverse válvulas de cierre, para impedir una alimentación involuntaria del gas en cuestión (hidrógeno y/o nitrógeno y/o oxígeno) en el momento equivocado. Otros equipos de seguridad útiles son válvulas de retención en los trayectos de flujo de gas desde los depósitos de reserva de gas (hidrógeno y/o nitrógeno y/o oxígeno) hacia los puntos de ajuste de gas el circuito de gas de cátodo y el circuito de gas de ánodo, para impedir un reflujo de los gases de servicio, si, por error entonces de nuevo se alimentara tanto gas inerte como oxígeno al circuito de gas de cátodo (en el sistema cerrado), o por error se alimentara tanto gas inerte como hidrógeno al circuito de gas de ánodo.
Los sistemas herméticos y semicerrados de acuerdo con la invención son fundamentalmente idénticos en el lado del ánodo. En particular ambos en el lado del ánodo presentan preferentemente una o varias de las siguientes características, que pueden presentarse entre sí en configuraciones discrecionales.
El sistema de pila de combustible presenta un equipo para alimentar o hidrógeno desde el trayecto de flujo de hidrógeno o nitrógeno desde el trayecto de flujo de nitrógeno al circuito de gas de ánodo en el punto de transición del circuito de gas de ánodo.
El equipo para el suministro de nitrógeno al circuito de gas de ánodo es un reductor de presión en el trayecto de flujo de nitrógeno y/o el equipo para el suministro de hidrógeno al circuito de gas de ánodo es un reductor de presión en el trayecto de flujo de hidrógeno.
El circuito de gas de ánodo presenta un equipo para genera una presión por debajo de la presión ambiente en el circuito de gas de ánodo.
El sistema de pila de combustible presenta al menos un depósito para almacenar agua líquida, que está en conexión de fluido con el equipo para la separación de agua líquida del gas de combustión de ánodo, preferentemente a través de una bomba de agua.
El sistema de pila de combustible presenta un interruptor de nivel de llenado en el equipo para la separación de agua líquida del gas de combustión de ánodo y/o un equipo para despedir gas desde el trayecto de flujo de gas de combustión de ánodo.
El sistema de pila de combustible presenta una válvula de retención y/o una válvula de cierre en el trayecto de flujo de nitrógeno de la fuente de nitrógeno hacia el circuito de gas de ánodo.
El sistema de pila de combustible presenta un interruptor de presión en el circuito de gas de ánodo.
En el funcionamiento del sistema de pila de combustible, en el circuito de gas de ánodo reina una sobrepresión de 300 a 1000 hPa y/o la velocidad de flujo de gas en el circuito de gas de ánodo asciende a de 2 a 4 m/s. La presión de servicio y velocidades de flujo de gas son idénticas en cada caso en el circuito de gas de ánodo y en el circuito de gas de cátodo o el trayecto de flujo de gas de cátodo.
El sistema de pila de combustible de acuerdo con la invención es adecuado fundamentalmente para el abastecimiento de consumidores discrecionales con energía eléctrica. Las ventajas del sistema de pila de combustible de acuerdo con la invención surten especialmente efecto en todos los sistemas de consumidor, que van a o deben hermetizarse en sí, ya sea por razones técnicas u otras razones, como por ejemplo, en aparatos, que van a emplearse en espacios o vehículos cerrados, en particular en vehículos submarinos.
La invención se ilustra a continuación mediante figuras con más detalle. Cabe señalar que las figuras ni están representadas a escala ni son proporcionales. Además, solo están representadas las características esenciales para la comprensión de la presente invención. Se entiende que pueden estar presentes características adicionales o que no todas las características representadas son esenciales para el funcionamiento de la presente invención. Muestran:
la figura 1 una representación esquemática de una forma de realización de un sistema de pila de combustible de acuerdo con la invención,
la figura 2 una representación esquemática de una forma de realización alternativa de un sistema de pila de combustible de acuerdo con la invención, y
la figura 3 una representación esquemática de una forma de realización adicional alternativa de un sistema de pila de combustible de acuerdo con la invención.
La figura 1 muestra una representación esquemática de un sistema de pila de combustible 1 cerrado de acuerdo con la invención. El sistema de pila de combustible 1 presenta una disposición de pila de combustible 2, que en la forma de realización representada consta de una única pila de combustible 3. En realidad, una disposición de pila de combustible presenta una pluralidad de pilas de combustible, normalmente varias pilas de combustible apiladas con en cada caso una multitud de pilas de combustible. Las pilas de combustible son de tipo de construcción convencional en sí, por ejemplo, pilas de combustible de membrana polimérica con un cátodo 10 y un ánodo 20, que se abastecen en cada caso en la medida de lo posible por toda la superficie con gas de servicio. El gas de servicio fluye normalmente en campos de flujo, que están representados esquemáticamente en la figura 1 como zona de flujo de cátodo 13 y zona de flujo de ánodo 23. Para la refrigeración la pila de combustible 3 representada presenta una placa de refrigeración 8.
El sistema de pila de combustible se hace funcionar con aire artificial, es decir, con una mezcla de oxígeno y nitrógeno, asciendo el contenido de oxígeno del aire artificial preferentemente de 20 a 50 por ciento en volumen, de manera especialmente preferente 40 a 50 por ciento en volumen. El aire artificial se genera durante el funcionamiento del sistema de pila de combustible 1 continuamente desde los componentes oxígeno y nitrógeno y se introduce a la disposición de pila de combustible 2. El gas de servicio en el lado del ánodo es una mezcla de hidrógeno y nitrógeno, que igualmente durante el funcionamiento del sistema de pila de combustible 1 se genera continuamente de los componentes hidrógeno y nitrógeno y se introduce a la disposición de pila de combustible 2. La concentración de hidrógeno en el gas de servicio de ánodo es igual a la concentración de oxígeno en el gas de servicio de cátodo.
Los gases de reacción oxígeno e hidrógeno, así como el gas inerte nitrógeno se facilitan en depósitos de reserva adecuados, en la forma de realización representada una oxígeno-botella de gas a presión 30, una botella de gas a presión de hidrógeno 40 y una botella de gas a presión de nitrógeno 50. El depósito de reserva de nitrógeno puede ser mucho menor que los depósitos de reserva de gas de reacción, dado que no se consume nitrógeno en la reacción de pila de combustible, sino más bien durante todo el funcionamiento de la pila de combustible la misma cantidad de nitrógeno se conduce en círculo. El tamaño del depósito de reserva de gas de reacción se orienta según la duración de funcionamiento de celda de combustible planeada. Los depósitos de reserva no están limitados naturalmente a botellas de gas a presión.
Un aspecto esencial de la presente invención es la configuración del sistema de pila de combustible con un circuito de gas cerrado en el cátodo 11, en el que se introduce opcionalmente nitrógeno u oxígeno, y con un circuito de gas cerrado en el ánodo 21, en el que se introduce opcionalmente hidrógeno o nitrógeno. El circuito de gas de cátodo 11 se compone de un trayecto de flujo de gas de servicio de cátodo 12, que en el suministro de gas de pila de combustible pasa a la zona de flujo de cátodo 13, que a su vez en la salida de gas de pila de combustible pasa a un trayecto de flujo de gas de combustión de cátodo 14. El trayecto de flujo de gas de combustión de cátodo 14 desemboca de nuevo en un punto de transición 15 hacia el trayecto de flujo de gas de servicio de cátodo 12. El circuito de gas de ánodo 21 se compone de un trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo 22, que en el suministro de gas de pila de combustible pasa a la zona de flujo de ánodo 23, que a su vez en la salida de gas de pila de combustible pasa a un trayecto de flujo de gas de combustión de ánodo 24. El trayecto de flujo de gas de combustión de ánodo 24 desemboca en un punto de transición 25 hacia el trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo 22. El sistema de pila de combustible de la presente invención está diseñado por tanto para recircular por completo los gases de combustión de pila de combustible y no despedir al entorno ningún gas de combustión. Los trayectos de flujo son conductos de tubo flexible o tuberías.
La zona de flujo de cátodo 13 y la zona de flujo de ánodo 23 están habitualmente "ramificadas", es decir, en el suministro de gas de pila de combustible se encuentran distribuidores de gas, que distribuyen el gas de servicio de cátodo y el gas de servicio de ánodo lo más uniformemente posible por toda la disposición de pila de combustible 2, y en la salida de gas de pila de combustible están situados colectores, que recogen el gas de combustión de cátodo y el gas de combustión de ánodo y alimentan al trayecto de flujo de gas de combustión de cátodo 14 o al trayecto de flujo de gas de combustión de ánodo 24.
Un sensor de presión 18 en el trayecto de flujo de gas de servicio de cátodo 12 y un sensor de temperatura 19 en el trayecto de flujo de gas de combustión de cátodo 14 sirven para determinar presión de gas y temperatura de gas en el circuito de gas de cátodo 11. Un sensor de presión 28 en el trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo 22 y un sensor de temperatura 29 en el trayecto de flujo de gas de combustión de ánodo 24 sirven para determinar presión y temperatura del gas en el circuito de gas de ánodo 21. Sin embargo también es suficiente prever solo uno de los sensores de temperatura 19, 29, preferentemente el sensor de temperatura 19 en el circuito de gas de cátodo, dado que las temperaturas de gas en el circuito de gas de ánodo y en el circuito de gas de cátodo, tanto durante el llenado como durante el funcionamiento del sistema de pila de combustible son aproximadamente iguales. Además, los sensores se encuentran en un punto discrecional en el circuito de gas de cátodo 11 y en el circuito de gas de ánodo 21. De la presión medida y de la temperatura medida la electrónica del sistema puede calcular la cantidad del gas presente en el circuito de gas de cátodo 11 y en el circuito de gas de ánodo 21.
En la forma de realización representada se suministra oxígeno desde la botella de gas a presión 30 a través de un trayecto de flujo de oxígeno 31 (conducto de oxígeno 31), en el que se encuentra un reductor de presión 33, una válvula 32 para la alimentación al circuito de gas de cátodo 11. Se suministra hidrógeno desde la botella de gas a presión 40 a través de un trayecto de flujo de hidrógeno (conducto de hidrógeno) 41, en el que se encuentra un reductor de presión 43, una válvula 42 para la alimentación al circuito de gas de ánodo 21. Se suministra nitrógeno desde una botella de gas a presión 50 a través de un trayecto de flujo de gas inerte 51, 52 a la válvula 32 para la alimentación al circuito de gas de cátodo 11, y del mismo modo a través de un trayecto de flujo de gas inerte 51, 54 a la válvula 42 para la alimentación al circuito de gas de ánodo 21. En la zona parcial 51 del trayecto de flujo de gas inerte se encuentran un reductor de presión 53 así como una válvula de cierre 55 opcional, que hace posible descartar de forma fiable en el momento erróneo un suministro de nitrógeno al circuito de gas de cátodo 11 y el circuito de gas de ánodo 21. Mediante la presión del reductor de presión 53 en la zona parcial 51 del trayecto de flujo de gas inerte se garantiza que en el circuito de gas de cátodo 11 y el circuito de gas de ánodo 21 se ajuste la misma presión parcial de gas inerte.
En la forma de realización representada se alimentan nitrógeno y oxígeno a través de un equipo común 32, que permite o la alimentación de oxígeno o la alimentación de nitrógeno, como una válvula, que pueden conmutarse entre un suministro de oxígeno y un suministro de nitrógeno, en un punto de alimentación (punto de transición) 15 al circuito de gas de cátodo 11. El nitrógeno e hidrógeno se alimentan de manera análoga a través de una válvula 42 común, que puede conmutarse entre un suministro de hidrógeno y un suministro de nitrógeno, en un punto de alimentación (punto de transición) 25 al circuito de gas de ánodo 21. Las válvulas 32 o 42 adecuadas son por ejemplo, válvulas magnéticas distribuidoras de 3-2. En general, para todas las válvulas se emplean preferentemente válvulas magnéticas.
Como alternativa también es posible, introducir oxígeno y nitrógeno separados del circuito de gas de cátodo 11 y/o hidrógeno y nitrógeno separados del circuito de gas de ánodo 21. El punto de alimentación de oxígeno define a este respecto el punto de transición 15, y el punto de alimentación de hidrógeno define el punto de transición 25. La alimentación de nitrógeno puede realizarse en principio en cualquier punto del circuito de gas de cátodo 11 o del circuito de gas de ánodo 21, naturalmente fuera de las propias pilas de combustible. En un suministro separado se prefiere prever en el trayecto de flujo de gas inerte, el trayecto de flujo de oxígeno y el trayecto de flujo de hidrógeno en cada caso una válvula de cierre, para impedir que nitrógeno y oxígeno se alimenten al mismo tiempo al circuito de gas de cátodo o que nitrógeno e hidrógeno se alimenten al mismo tiempo al circuito de gas de ánodo.
La disposición de pila de combustible 2 se hace funcionar en el lado del cátodo con aire artificial, por ejemplo, con un porcentaje de oxígeno de 50 por ciento en volumen, y en el lado del ánodo con una mezcla de hidrógeno/nitrógeno. Si el porcentaje de oxígeno asciende a 50 por ciento en volumen, también el porcentaje de hidrógeno asciende a 50 por ciento en volumen. Antes de que se comience con el funcionamiento de pila de combustible continuo y con la extracción de energía, el circuito de gas de ánodo 21 y el circuito de gas de cátodo 11 se llenan con los gases de servicio deseados. El modo de procedimiento se explica a continuación en un ejemplo numérico concreto.
De la fórmula que puede aplicarse con una aproximación muy buena p.V = p • V = — R • T (p= presión; V= volumen; m= masa; M= masa molar; R= constante de gas; T= temperatura) se deduce que para el ajuste de las concentraciones de gas de reacción deseadas (concentraciones teóricas) son importantes presión y temperatura así como masa y masa molecular de los gases implicados y el volumen que va a llenarse.
Para un volumen a modo de ejemplo del circuito de gas de cátodo de Vg = 0,0035 m3, una presión de reacción deseada (presión teórica) del gas de servicio de cátodo de pg= 4451 hPa absoluta (445100 kg m"1s"2 absoluta), una temperatura del gas en el circuito de gas de cátodo de Tg= 327 K (54 °C) y una concentración de oxígeno deseada de 50 % en volumen (Xo2= 0,5) resulta en una masa molecular de oxígeno Mo2= 15,9994 gmol-1 de una masa molecular de nitrógeno Mn2= 14,0067 g mol-1 y de la constante de gas R= 8,314 J mol"1 K"1 (8,314 kg m2 s"2 mol"1 "K" 1) para la masa total del gas mg= mo2+mN2 en el circuito de gas de cátodo 11 en un momento estable antes del funcionamiento continuo de las pilas de combustible, es decir, antes del comienzo de la toma de corriente, sin porcentaje de agua en forma gaseosa o líquida:
mg = [M02 • X02 MN2(1 Xo2)] ^j^.-p8
Mediante la utilización de los valores numéricos anteriores, para la masa total necesaria del gas en el circuito de gas de cátodo resulta 11 mg = 9,170 g. Considerando la relación de las masas molares de oxígeno y nitrógeno M02/MN2 = 15,9994: 14,0067 resulta para la masa de oxígeno mo2 = 4,585 g y para la masa de nitrógeno mN2 = 4,281 g.
Cuando se realiza el llenado con nitrógeno a 23 °C (296K), debe ajustarse una presión parcial de nitrógeno pN2, que resulta de:
mN2 ■ R ■ 296 K
Pn2 = --- jr¡------ü----- = 2149hPa (absoluta)
1V|N2 ' Vg
Esta presión parcial se ajusta en la puesta inicial de funcionamiento del sistema de pila de combustible en el circuito de gas de cátodo 11 y en el circuito de gas de ánodo 21.
El cálculo anterior, no obstante deja sin considerar el hecho de que en la reacción de pila de combustible se forma agua como producto de reacción, que hasta un cierto porcentaje en forma gaseosa en el circuito de gas se arrastra en el cátodo y en el circuito de gas de ánodo. El agua en forma gaseosa sustituye una parte del gas inerte, de modo que en la puesta inicial de funcionamiento del sistema de pila de combustible debe alimentarse de manera correspondiente menos gas inerte al circuito de gas de cátodo 11 y al circuito de gas de ánodo 21. La cantidad necesaria de gas inerte teniendo en cuenta el agua de reacción formada puede calcularse según la ecuación de Wagner
Psat
Figure imgf000012_0001
psat designa la presión de saturación, pc la presión de gas crítica y Tc la temperatura de agua crítica. pc asciende a 220600 hPa y Tc asciende a 647,1 K. Tg designa la temperatura del gas en el circuito de gas de cátodo o en el circuito de gas de ánodo, y A, B, C, D son coeficientes de Wagner (A = -7,71374, B = 1,31467, C = -2,51444, D = -1,72542). En cuanto a la ecuación de Wagner y los valores anteriormente mencionados se remite a la publicación VDI-Warmeatlas, 10a edición, Springer-Verlag Berlín, Heidelberg 2006.
Mediante la sustitución de los parámetros, para la concentración Xh2o de agua en forma gaseosa en el circuito de gas de cátodo y en el circuito de gas de ánodo se obtiene Xh2o = psat/pg = 0,249.
pg designa la presión teórica del gas de servicio de cátodo o gas de servicio de ánodo (4451 hPa absoluta).
Para la masa total del gas mg = mo2 mN2 mH2o en el circuito de gas de cátodo 11 en un momento estable durante el funcionamiento de la pila de combustible resulta por consiguiente
Figure imgf000012_0002
Vg, Tg y X02, como se menciona anteriormente en el cálculo se indican sin porcentaje de agua gaseoso.
Mediante la sustitución de los parámetros para la masa de oxígeno resulta mo2 = 4,585 g, para la masa de nitrógeno mN2 = 2,018 g y para la masa de agua en forma gaseosa mH2o = 2,567 g. La masa total mg del gas asciende a 9,170 g.
En el llenado del circuito de gas de ánodo y del circuito de gas de cátodo con nitrógeno durante la puesta inicial de funcionamiento del sistema de pila de combustible, cuando la temperatura T0 asciende a 296K, debe ajustarse una presión de nitrógeno, que resulta
mN2 ' R ' T0
de pN2
m N2 ■ Vg
Resulta una presión de nitrógeno pN2 de 1013 hPa absoluta.
En la puesta inicial de funcionamiento del sistema de pila de combustible 1 y antes de la puesta inicial de funcionamiento de la disposición de pila de combustible 2, en el circuito de gas de cátodo y en el circuito de gas de ánodo esencialmente al mismo tiempo se ajusta una presión parcial de nitrógeno de 1013 hPa. La presión parcial de nitrógeno de 1013 hPa en el circuito de gas de cátodo 11 se ajusta mediante la apertura de la válvula 55 en el trayecto de flujo de gas inerte 51, en donde fluye nitrógeno hacia la válvula de distribución 3-2 32, que pueden conmutarse entre un suministro de oxígeno y nitrógeno. La válvula 32 se conmuta a abastecimiento de nitrógeno, de modo que entra nitrógeno a través de un trayecto de flujo 34 en el punto de transición 15 al circuito de gas de cátodo 11. La presión de nitrógeno se mide mediante el sensor de presión 18, y el reductor de presión 53 en el trayecto de flujo de gas inerte 51 compara la presión medida con la especificación teórica de 1013 hPa y deja fluir nitrógeno, hasta que se alcanza una presión de nitrógeno de 1013 hPa (las presiones se designan en cada caso presiones absolutas).
Esencialmente, al mismo tiempo, con el llenado del circuito de gas de cátodo 11 el circuito de gas de ánodo 21 se llena con nitrógeno. Un llenado esencialmente simultáneo con la misma presión de nitrógeno que en el circuito de gas de cátodo es necesario, para impedir una migración de nitrógeno mediante compensación de presión parcial. Para el llenado del circuito de gas de ánodo 21 con nitrógeno la válvula de distribución 3-2 42, que puede conmutarse entre un suministro de hidrógeno y nitrógeno, se conmuta a abastecimiento de nitrógeno, de modo que entra nitrógeno a través de un trayecto de flujo de nitrógeno 44 en el punto de transición 25 al circuito de gas de cátodo 21. La presión de nitrógeno en el circuito de gas de ánodo 21 se mide por medio del sensor de presión 28. El reductor de presión 55 compara la presión medida con la presión teórica de 1013 hPa que va a ajustarse y deja fluir nitrógeno, hasta que haya alcanzado esta presión.
A continuación se preparan las mezclas de gas de servicio. Para este fin, la válvula 32 se conmuta a abastecimiento de oxígeno y la válvula 42 a abastecimiento de hidrógeno. Dado que en el ejemplo de realización el gas de servicio de cátodo presenta un porcentaje de oxígeno de 50 % en volumen, la presión parcial de oxígeno pO2 que va a ajustarse es igual a la presión parcial de nitrógeno pN2 sin considerar el agua de reacción, es decir, 2149 hPa. Con ello para la presión de gas de servicio total. pg en la temperatura de llenado de 23 °C resulta una presión que va a ajustarse de 4156 hPa. Esta presión se ajusta en el circuito de gas de cátodo 11 de manera análoga a la presión parcial de nitrógeno, es decir, la presión pg se mide por medio del sensor de presión 18, y el reductor de presión 33 compara la presión medida con la especificación de valor teórico. Mientras que la presión medida sea inferior a la especificación de valor teórico de 4156 hPa la válvula reductora de presión se abre tanto que entra suficiente oxígeno al circuito de gas de cátodo, para alcanzar la especificación de valor teórico. Tan pronto como la presión medida por el sensor de presión haya alcanzado la especificación de valor teórico, la válvula del reductor de presión 33 se cierra. Al mismo tiempo, en el circuito de gas de ánodo 21 se ajusta una presión de gas pg = ph2 pN2 de asimismo 4156 hPa, al medirse la presión pg en el circuito de gas de ánodo 21 mediante el sensor de presión 28 y se compara la presión medida por el reductor de presión 43 con la especificación de valor teórico. La válvula del reductor de presión 43 se abre para la afluencia de hidrógeno al circuito de gas de ánodo 21 hasta que la especificación de valor teórico se haya alcanzado. Después la válvula reductora de presión se cierra. Las válvulas 32 y 42 mantienen su posición, es decir, permanecen ajustadas al paso con oxígeno o con hidrógeno. El sistema de pila de combustible 1 está preparado ahora para la puesta inicial de funcionamiento de la disposición de pila de combustible 2. Las presiones significan en cada caso presiones absolutas.
El ejemplo anterior se ha seleccionado de modo que la presión parcial de nitrógeno corresponde aproximadamente a la presión atmosférica, de modo que mediante un sencillo barrido del circuito de gas de cátodo y del circuito de gas de ánodo con nitrógeno se presentaría la presión parcial de nitrógeno adecuada. A este respecto, en condiciones operativas se producen sin embargo presiones de gas de servicio, que se sitúan por encima del intervalo preferente en la presente invención de 300 a 1000 hPa (sobrepresión). Para el ajuste de presiones de gas de servicio en el intervalo preferente deben ajustarse presiones parciales de nitrógeno (presiones absolutas), que son más bajas que la presión atmosférica, es decir, el circuito de gas de cátodo y el circuito de gas de ánodo, antes del ajuste de las presiones de gas inerte deseadas deben evacuarse. Para este fin, en el circuito de gas de cátodo y el circuito de gas de ánodo están previstos preferentemente en cada caso un equipo para crear una presión negativa, como una bomba de vacío, (no representada en las figuras). Las pequeñas bombas sencillas con baja potencia de succión son suficientes, dado que no debe generarse un vacío elevado. Es suficiente, cuando puede generarse la presión parcial de nitrógeno que va a ajustarse (por ejemplo, aproximadamente de 200 a 800 hPa absoluta) o una presión ligeramente por debajo de la presión parcial de nitrógeno que va a ajustarse, de modo que mediante el suministro de nitrógeno, como se describe anteriormente, la presión parcial de nitrógeno deseada (presión parcial de nitrógeno teórica) puede ajustarse.
Antes de retomar el funcionamiento de la disposición de pila de combustible 2, y preferentemente ya durante el llenado del circuito de gas de cátodo 11 y del circuito de gas de ánodo 21, en el circuito de gas de cátodo y el circuito de gas de ánodo en cada caso se genera un flujo de recirculación, para alcanzar una buena distribución de gas y mezcla de gas inerte y gas de reacción, por ejemplo, mediante una bomba de recirculación 17 en el trayecto de flujo de gas de combustión de cátodo 14 o mediante una bomba de recirculación 27 en el trayecto de flujo de gas de combustión de ánodo 24. Como alternativa una o ambas bombas pueden sustituirse por una tobera de chorro. El mantenimiento de una velocidad de flujo es importante para garantizar que continuamente los gases de servicio frescos se transportan al interior de las pilas de combustible y gases consumidos y agua formada en la reacción de pila de combustible se evacuan de las pilas de combustible.
El agua formada en la reacción de pila de combustible debe eliminarse del gas de combustión de celda de combustible, dado que, por el contrario, en el circuito de gas de cátodo y en el circuito de gas de ánodo se enriquecería cada vez más y finalmente inundaría las pilas de combustible. Por lo tanto en el trayecto de flujo de gas de combustión de cátodo 14 está previsto un separador de agua 16, y en el trayecto de flujo de gas de combustión de ánodo 24 está previsto un separador de agua 26. En los separadores de agua 16, 26 el agua líquida se separa de la corriente de gas y se recoge, mientras que queda agua en forma gaseosa en el gas de combustión de cátodo y el gas de combustión de ánodo. Después de la separación del agua líquida el gas de combustión de cátodo se alimenta por completo hacia el trayecto de flujo de gas de servicio de cátodo 12, y el gas de combustión de ánodo se alimenta por completo al trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo 22. Condicionado por la alimentación de los gases de combustión de pila de combustible a los trayectos de flujo de gas de servicio durante el funcionamiento de la disposición de pila de combustible 2 los gases de servicio se empobrecen de los gases de reacción oxígeno o hidrógeno, por lo que la presión medida por los sensores de presión 18 y 28 es más baja que la presión teórica en la temperatura de gas respectiva, medida por medio de los sensores de temperatura 19 y/o 29 en el trayecto de flujo de gas de combustión de cátodo 14 y/o el trayecto de flujo de gas de combustión de ánodo 24. Sin embargo, de acuerdo con la invención se procura que durante el funcionamiento de la disposición de celda de combustible 2 la presión en el circuito de gas de cátodo 11 y el circuito de gas de ánodo 21 se mantenga constante. Para este fin está previsto un equipo para el suministro de oxígeno al circuito de gas de cátodo 11 y un equipo para el suministro de hidrógeno al circuito de gas de ánodo 21, por lo que en cada caso pueden introducirse cantidades de oxígeno y de hidrógeno regulables. En la forma de realización representada se emplean un reductor de presión 33 y un reductor de presión 43. La presión en el circuito de gas de cátodo 11 y el circuito de gas de ánodo 21 se mantiene constante, al abrirse la válvula del reductor de presión 33 y la válvula del reductor de presión 43 en una medida tal que continuamente o regularmente entra oxígeno o hidrógeno al circuito de gas de cátodo 11 o el circuito de gas de ánodo 21, para añadir el oxígeno consumido o el hidrógeno consumido.
Como equipos alternativos para el suministro de oxígeno, hidrógeno y nitrógeno según la demanda pueden emplearse también reguladores de desplazamiento másico.
En la forma de realización representada los separadores de agua 16 y 26 en cada caso están equipados con un interruptor de nivel de llenado 67 o 68 y con una válvula de descarga de agua 64 o 65. Los interruptores de nivel de llenado 67, 68 vigilan el nivel de llenado de los separadores de agua 16, 26 y procuran que no se supere un nivel de llenado predeterminado. Tan pronto como el nivel de agua en los separadores de agua 16, 26 haya subido tanto que los interruptores de nivel de llenado se humedecen, las válvulas de descarga de agua 64, 65 se abren y se descarga agua. El tiempo de descarga se selecciona de modo que todavía queda algo de agua en los separadores de agua 16, 26, para impedir una salida de gas de combustión de cátodo o gas de combustión de ánodo. Los tiempos de descarga adecuados se sitúan en el intervalo de 1 a 3 segundos. El agua descargada fluye a través de conductos 62, 63 en un tanque acumulador de agua 60, respaldado por una bomba de agua 61, que se hace funcionar en cada caso, cuando una de las válvulas de descarga de agua 64, 65 o ambas están abiertas.
La forma de realización representada presenta en el trayecto de flujo de gas de servicio de cátodo 12 un interruptor de presión 4 y en el trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo 22 un interruptor de presión 6. Estos interruptores de presión vigilan la presión de los gases de servicio y al superar una presión máxima predeterminada del gas de servicio de cátodo o del gas de servicio de ánodo conmutan todo el sistema a través de un circuito de seguridad a un estado seguro, como se ha descrito anteriormente.
En los trayectos de flujo de nitrógeno 52 y 54 están previstas válvulas de retención 56, 57. La válvula de retención 56 impide un reflujo del gas de servicio de cátodo, en el caso de que la válvula 32 durante el funcionamiento de la disposición de pila de combustible 2 se conmutara erróneamente a una circulación con nitrógeno, y la válvula de retención 57 impide un reflujo del gas de servicio de ánodo, en el caso de que durante el funcionamiento de la disposición de pila de combustible 2 la válvula 42 se conectara erróneamente a una circulación con nitrógeno.
Una forma de realización adicional de un sistema de pila de combustible 1 hermético de acuerdo con la invención se representada esquemáticamente en la figura 2. El sistema de pila de combustible de acuerdo con la forma de realización representada en la figura 2, en cuanto a la mayoría de los componentes es idéntico al sistema de pila de combustible representado en la figura 1. Los mismos números de referencia designan componentes iguales o correspondientes entre sí. El sistema de pila de combustible representado en la figura 2 presenta solo un sensor de temperatura 19 en el circuito de gas de cátodo 11. Una resistencia de sangrado 9 conectable proporciona la generación de potencia de pila de combustible, y con ello el uso de gases de reacción, tras la desconexión del sistema de pila de combustible. Además, en la forma de realización representada en la figura 2 como equipos para crear un flujo en el circuito de gas de cátodo 11 y el circuito de gas de ánodo 21 están previstas toberas Venturi 17 y 27 en el punto de transición 15 del circuito de gas de cátodo y el punto de transición 25 del circuito de gas de ánodo. Mediante el gas que entra desde los conductos 34 o 44 a las toberas Venturi se aspira en cada caso el gas de combustión desde los conductos 14 y 24, y se alimenta al trayecto de flujo de gas de servicio de cátodo 12 o al trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo 22.
Además el sistema de pila de combustible en la figura 2 representado presenta una válvula 5 para despedir gas desde el circuito de gas de cátodo 11 y una válvula 7 para despedir gas desde el circuito de gas de ánodo 21. Tras la desconexión del sistema de pila de combustible, o al menos de una nueva puesta inicial de funcionamiento del sistema de pila de combustible, los gases que se encuentran todavía en el sistema y el agua que se encuentra en el sistema. Esto puede suceder por ejemplo, mediante la válvula 5 en el trayecto de flujo de gas de combustión de cátodo 14 y la válvula 7 en el trayecto de flujo de gas de combustión de ánodo 24, así como una válvula de descarga de agua 66. La descarga de los gases y del agua se realiza al entorno del sistema de pila de combustible o en sistemas de pila de combustible integrados en un sistema de consumidor al entorno del sistema de consumidor, en el que el sistema de pila de combustible está integrado, es decir, a la atmósfera, sin embargo no hasta después de la finalización de la misión que va a ejecutarse por el sistema de consumidor. En cambio, durante una misión en curso, el sistema de consumidor representa un sistema hermético por completo, lo que en particular es de importancia esencial en caso de vehículos como vehículos submarinos. La evacuación de los gases desde los circuitos de gas tras finalizar la misión que va a realizase por el sistema de consumidor sin embargo puede suceder también de otro modo diferente a por medio de las válvulas 5, 7, por ejemplo, junto con el agua acumulada en los separadores de agua 16, 26 mediante sus aberturas de salida.
Una forma de realización adicional de un sistema de pila de combustible 1 de acuerdo con la invención se representa esquemáticamente en la figura 3. La forma de realización representada en la figura 3 es un sistema semicerrado, es decir, el sistema solo está cerrado en el lado del ánodo, mientras que en el lado del cátodo se extrae aire del entorno y tras realizarse la reacción de pila de combustible se emite al entorno de nuevo aire empobrecido de oxígeno. El sistema de pila de combustible de acuerdo con la forma de realización representada en la figura 3 en el lado del ánodo es idéntico al sistema de pila de combustible representado en la figura 2. Los mismos números de referencia designan componentes iguales o correspondientes entre sí.
El sistema de pila de combustible 1 de acuerdo con la figura 3 presenta un trayecto de flujo de gas de cátodo 11', que comprende un trayecto de flujo de gas de servicio de cátodo 12, una zona de flujo de cátodo 13 y un trayecto de flujo de gas de combustión de cátodo 14. El trayecto de flujo de gas de servicio de cátodo 12 y el trayecto de flujo de gas de combustión de cátodo 14 están separados el uno del otro en cuanto a fluidos. A través de una fuente de aire 30' se alimenta aire como gas de servicio de cátodo, preferentemente aire ambiente natural, al trayecto de flujo de gas de cátodo 11'. Una fuente de aire preferente es un soplado con una potencia, que garantiza una velocidad de flujo suficiente del gas de servicio de cátodo en el trayecto de flujo de gas de cátodo 11'.
En el trayecto de flujo de gas de cátodo 11' se encuentran además un sensor 35 para registrar la concentración de oxígeno o del porcentaje de nitrógeno en el gas de servicio de cátodo alimentado, un sensor de presión 18, un sensor de temperatura 19, y un interruptor de presión 4. Los sensores 35, 18 y 19, así como el interruptor de presión 4 son componentes opcionales. Asimismo es opcional la válvula de cierre 32' representada en la figura 3, que permite separar el trayecto de flujo de gas de cátodo 11' de la fuente de aire 30'. La fuente de aire 30' y la válvula 32' se unen mediante un trayecto de flujo de aire 31'.
El aire suministrado por la fuente de aire 30' entra en el trayecto de flujo de gas de servicio de cátodo 12, atraviesa la zona de flujo de cátodo 13, y abandona finalmente la disposición de pila de combustible como gas de combustión empobrecido de oxígeno en el cátodo a través del trayecto de flujo de gas de combustión de cátodo 14. El trayecto de flujo de gas de combustión de cátodo 14 despide el gas de combustión de cátodo al entorno. Un equipo, que a la salida del gas de combustión de cátodo oponen una cierta resistencia y al mismo tiempo un posible flujo de gas en la dirección opuesta, como, por ejemplo, una válvula de retención cargada por resorte o una válvula de regulación, se encuentra en el trayecto de flujo de gas de combustión de cátodo 14. El equipo 5' garantiza el mantenimiento de la presión de gas de servicio de cátodo deseada durante el funcionamiento del sistema de pila de combustible 1.
Antes de la puesta inicial de funcionamiento del sistema de pila de combustible de acuerdo con la figura 3, inicialmente mediante la fuente de aire 30' se dejará entrar aire del ambiente hacia el trayecto de flujo de gas de servicio de cátodo 12 y al mismo tiempo se dejará entrar nitrógeno de la fuente de nitrógeno 50 hacia el trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo 22 (dado el caso, tras una evacuación previa del circuito de gas de ánodo 21), ajustándose una presión parcial de nitrógeno, que corresponde a la presión parcial de nitrógeno del aire en el trayecto de flujo de gas de servicio de cátodo 12. El ajuste de la presión parcial de nitrógeno necesaria en el circuito de gas de ánodo 21 se realiza de la misma forma, como se ha descrito anteriormente para los sistemas hermetizados. A continuación desde la fuente de hidrógeno 40 se alimenta hidrógeno al trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo 22, hasta que en el circuito de gas de ánodo 21 y en el trayecto de flujo de gas de cátodo 11' reine la misma presión. A este respecto, de nuevo en el lado del ánodo se procede, como se ha descrito anteriormente para los sistemas hermetizados. Naturalmente, también en este caso ha de tenerse en cuenta que durante el funcionamiento del sistema de pila de combustible la temperatura varía, y se forma agua de producto. En el lado del ánodo el agua de producto del gas de combustión debe separarse en el ánodo y recogerse en un depósito colector, tal como se ha descrito anteriormente. Una separación de agua de producto del gas de combustión de cátodo es opcional. Como alternativa el agua de producto también junto con el gas de combustión de cátodo puede despedirse al entorno.
Un sistema de pila de combustible hermetizado puede hacerse funcionar con ligeras modificaciones también como sistema cerrado en el lado del ánodo o sistema cerrado en el lado del cátodo. Si, por ejemplo, el sistema hermetizado representado en la figura 2, tanto en el lado del ánodo como también en el lado del cátodo hermetizado va a hacerse funcionar como sistema cerrado en el lado del ánodo, pero abierto en el lado del cátodo, entre el trayecto de flujo de gas de servicio de cátodo 12 y el trayecto de flujo de gas de combustión de cátodo 14, es decir, entre el separador de agua 16 y la tobera Venturi 17, debe preverse una posibilidad, de separar el trayecto de flujo de gas de servicio de cátodo 12 del trayecto de flujo de gas de combustión de cátodo 14. Esto puede suceder, por ejemplo, mediante una sencilla válvula de cierre, como son las válvulas 5 o 55. La válvula 5 para despedir gas del circuito de gas de cátodo 11 debe reemplazarse por el equipo 5' de la figura 3 o debe preverse adicionalmente un equipo 5' de este tipo en el trayecto de escape de gas de combustión de cátodo. Por medio de un punto de unión en el trayecto de flujo de oxígeno 31 entre el reductor de presión 33 y la válvula de distribución 3-2 32 la fuente de oxígeno 30 puede desacoplarse y reemplazarse por una fuente de aire 30'. El sistema de pila de combustible representado en la figura 2 está preparado entonces para un funcionamiento como un sistema cerrado solo en el lado del ánodo. De manera análoga mediante modificación en el lado del ánodo puede obtenerse un sistema cerrado en el lado del cátodo, pero abierto en el lado del ánodo.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Sistema de pila de combustible (1), que es adecuado para hacerse funcionar con un gas de servicio de cátodo que contiene oxígeno y gas inerte y gas de servicio de ánodo que contiene hidrógeno y gas inerte, que presenta
- una disposición de pila de combustible (2) con al menos una pila de combustible (3), en donde la pila de combustible presenta un cátodo (10) con una zona de flujo de cátodo (13) y un ánodo (20) con una zona de flujo de ánodo (23),
- una fuente de oxígeno (30), una fuente de hidrógeno (40) y una fuente de gas inerte (50),
- un circuito de gas de cátodo (11), que comprende un trayecto de flujo de gas de servicio de cátodo (12) para alimentar el gas de servicio de cátodo a la zona de flujo de cátodo (13) del cátodo (10), la zona de flujo de cátodo (13), un trayecto de flujo de gas de combustión de cátodo (14) para alojar gas de combustión de cátodo desde la zona de flujo de cátodo y para la recirculación del gas de combustión de cátodo hacia el trayecto de flujo de gas de servicio de cátodo (12), y un punto de transición (15), en el que el trayecto de flujo de gas de combustión de cátodo (14) se convierte en el trayecto de flujo de gas de servicio de cátodo (12),
- un circuito de gas de ánodo (21), que comprende un trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo (22) para alimentar gas de servicio de ánodo a la zona de flujo de ánodo (23) del ánodo (20), la zona de flujo de ánodo (23), un trayecto de flujo de gas de combustión de ánodo (24) para el alojamiento de gas de combustión de ánodo desde la zona de flujo de ánodo (23) y para la recirculación del gas de combustión de ánodo hacia el trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo (22), y un punto de transición (25), en el cual el trayecto de flujo de gas de combustión de ánodo (24) se convierte en el trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo (22),
- un equipo (16) para la separación de agua líquida del gas de combustión de cátodo en el trayecto de flujo de gas de combustión de cátodo (14) y un equipo (26) para la separación de agua líquida del gas de combustión de ánodo en el trayecto de flujo de gas de combustión de ánodo (24),
- un equipo (17) para crear un flujo en el circuito de gas de cátodo (11) y un equipo (27) para crear un flujo en el circuito de gas de ánodo (21), en donde el equipo (17) y/o el equipo (27) es preferentemente una bomba o una tobera de chorro,
- un sensor de presión (18) en el circuito de gas de cátodo (11), un sensor de presión (28) en el circuito de gas de ánodo (21), un sensor de temperatura (19) en el circuito de gas de cátodo (11) y opcionalmente un sensor de temperatura (29) en el circuito de gas de ánodo (21) para determinar una cantidad real de un gas en el circuito de gas de cátodo (11) y para determinar una cantidad real de un gas en el circuito de gas de ánodo (21),
- un trayecto de flujo de gas inerte (51, 52) desde la fuente de gas inerte (50) hacia el punto de transición (15) en el circuito de gas de cátodo (11) o hacia un punto aguas arriba del punto de transición (15), y un trayecto de flujo de gas inerte (51, 54) desde la fuente de gas inerte (50) hacia el punto de transición (25) en el circuito de gas de ánodo (21) o hacia un punto aguas arriba del punto de transición (25),
- un trayecto de flujo de oxígeno (31) desde la fuente de oxígeno (30) hacia el punto de transición (15) en el circuito de gas de cátodo (11), y un trayecto de flujo de hidrógeno (41) desde la fuente de hidrógeno (40) hacia el punto de transición (25) en el circuito de gas de ánodo (21),
- un equipo para el suministro de gas inerte al circuito de gas de cátodo (11) y hacia el circuito de gas de ánodo (21) hasta alcanzar una cantidad teórica de gas inerte en el circuito de gas de cátodo (11) y el circuito de gas de ánodo (21),
- un equipo para el suministro de oxígeno al circuito de gas de cátodo (11) hasta alcanzar una cantidad teórica de oxígeno en el circuito de gas de cátodo (11), y
- un equipo para el suministro de hidrógeno al circuito de gas de ánodo (21) hasta alcanzar una cantidad teórica de hidrógeno en el circuito de gas de ánodo (21),
- en donde en el sistema de pila de combustible (1) no existe ninguna posibilidad de alojar material desde el entorno o emitirlo a este o almacenar gas de combustión de pila de combustible durante el funcionamiento de la al menos una pila de combustible (3), aparte del almacenamiento de agua en forma líquida.
2. Sistema de pila de combustible (1) según la reivindicación 1, que presenta además un equipo para alimentar o bien oxígeno desde el trayecto de flujo de oxígeno (31) o gas inerte desde el trayecto de flujo de gas inerte (51, 52) al circuito de gas de cátodo (11) en el punto de transición (15) del circuito de gas de cátodo (11), y/o un equipo para alimentar o bien hidrógeno desde el trayecto de flujo de hidrógeno (41) o gas inerte desde el trayecto de flujo de gas inerte (51, 54) al circuito de gas de ánodo (21) en el punto de transición (25) del circuito de gas de ánodo (21).
3. Sistema de pila de combustible (1) según la reivindicación 1 o 2, en el que el equipo para el suministro de gas inerte al circuito de gas de cátodo (11) y al circuito de gas de ánodo (21) es un reductor de presión (53) en el trayecto de flujo de gas inerte (51), y/o el equipo para el suministro de oxígeno al circuito de gas de cátodo es un reductor de presión (33) en el trayecto de flujo de oxígeno (31) y/o el equipo para el suministro de hidrógeno al circuito de gas de ánodo (21) es un reductor de presión (43) en el trayecto de flujo de hidrógeno (41).
4. Sistema de pila de combustible (1) según una de las reivindicaciones 1 a 3, que presenta además al menos un depósito (60) para almacenar agua líquida, que está en conexión de fluido con el equipo (16) para la separación de agua líquida y/o con el equipo (26) para la separación de agua líquida, preferentemente a través de una bomba de agua (61).
5. Sistema de pila de combustible (1) según una de las reivindicaciones 1 a 4, que presenta además un equipo (5) para despedir gas desde el trayecto de flujo de gas de combustión de cátodo (14) y/o un equipo (7) para despedir gas desde el trayecto de flujo de gas de combustión de ánodo (24).
6. Sistema de pila de combustible (1) según una de las reivindicaciones 1 a 5, que presenta además un equipo para crear una presión negativa en el circuito de gas de cátodo (11) y/o un equipo para crear una presión negativa en el circuito de gas de ánodo (21).
7. Sistema de pila de combustible (1), que es adecuado para hacerse funcionar con aire como gas de servicio de cátodo y un gas de servicio de ánodo que contiene hidrógeno y nitrógeno, que presenta
- una disposición de pila de combustible (2) con al menos una pila de combustible (3), en donde la pila de combustible presenta un cátodo (10) con una zona de flujo de cátodo (13) y un ánodo (20) con una zona de flujo de ánodo (23),
- una fuente de aire (30'), una fuente de hidrógeno (40) y una fuente de nitrógeno (50),
- un trayecto de flujo de gas de cátodo (11'), que comprende un trayecto de flujo de gas de servicio de cátodo (12) para alimentar el gas de servicio de cátodo a la zona de flujo de cátodo (13) del cátodo (10), la zona de flujo de cátodo (13), y un trayecto de flujo de gas de combustión de cátodo (14) para alojar gas de combustión de cátodo desde la zona de flujo de cátodo,
- un circuito de gas de ánodo (21), que comprende un trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo (22) para alimentar gas de servicio de ánodo a la zona de flujo de ánodo (23) del ánodo (20), la zona de flujo de ánodo (23), un trayecto de flujo de gas de combustión de ánodo (24) para el alojamiento de gas de combustión de ánodo desde la zona de flujo de ánodo (23) y para la recirculación del gas de combustión de ánodo hacia el trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo (22), y un punto de transición (25), en el cual el trayecto de flujo de gas de combustión de ánodo (24) se convierte en el trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo (22),
- un equipo (26) para la separación de agua líquida del gas de combustión de ánodo en el trayecto de flujo de gas de combustión de ánodo (24),
- un equipo (27) para crear un flujo en el circuito de gas de ánodo (21), en donde el equipo (27) preferentemente es una bomba o una tobera de chorro,
- un sensor de presión (18) en el trayecto de flujo de gas de cátodo (11'), un sensor de presión (28) en el circuito de gas de ánodo (21), un sensor de temperatura (19) en el trayecto de flujo de gas de cátodo (11'), y opcionalmente, un sensor de temperatura (29) en el circuito de gas de ánodo (21) para determinar una cantidad real de un gas en el trayecto de flujo de gas de cátodo (11') y para determinar una cantidad real de un gas en el circuito de gas de ánodo (21),
- un trayecto de flujo de nitrógeno (51, 54) desde la fuente de nitrógeno (50) hacia el punto de transición (25) en el circuito de gas de ánodo (21) o hacia un punto aguas arriba del punto de transición (25),
- un trayecto de flujo de hidrógeno (41) desde la fuente de hidrógeno (40) hacia el punto de transición (25) en el circuito de gas de ánodo (21),
- un equipo para el suministro de nitrógeno al circuito de gas de ánodo (21) hasta alcanzar una cantidad teórica de nitrógeno en el circuito de gas de ánodo (21),
- un equipo para el suministro de hidrógeno al circuito de gas de ánodo (21) hasta alcanzar una cantidad teórica de hidrógeno en el circuito de gas de ánodo (21), y
- una válvula (5') en el trayecto de flujo de gas de combustión de cátodo (14),
- en donde en el sistema de pila de combustible (1) no existe ninguna posibilidad de alojar gas de servicio de ánodo desde el entorno o de emitir gas de combustión de ánodo a este o de almacenarlo durante el funcionamiento de la al menos una pila de combustible (3), aparte del almacenamiento de agua en forma líquida.
8. Sistema de consumidor, como vehículo submarino con tripulación o sin tripulación, que presenta un sistema de pila de combustible (1) según una de las reivindicaciones 1 a 7.
9. Procedimiento para hacer funcionar un sistema de pila de combustible (1) con un gas de servicio de cátodo que contiene oxígeno y gas inerte y un gas de servicio de ánodo que contiene hidrógeno y gas inerte, en donde el sistema de pila de combustible (1) presenta
- una disposición de pila de combustible (2) con al menos una pila de combustible (3), en donde la pila de combustible presenta un cátodo (10) con una zona de flujo de cátodo (13) y un ánodo (20) con una zona de flujo de ánodo (23),
- un circuito de gas de cátodo (11), que comprende un trayecto de flujo de gas de servicio de cátodo (12), la zona de flujo de cátodo (13), un trayecto de flujo de gas de combustión de cátodo (14) y un punto de transición (15), en el que el trayecto de flujo de gas de combustión de cátodo (14) se convierte en el trayecto de flujo de gas de servicio de cátodo (12), y
- un circuito de gas de ánodo (21), que comprende un trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo (22), la zona de flujo de ánodo (23), un trayecto de flujo de gas de combustión de ánodo (24) y un punto de transición (25), en el cual el trayecto de flujo de gas de combustión de ánodo (24) se convierte en el trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo (22),
en donde el procedimiento presenta las siguientes etapas:
- alimentar un gas de servicio de cátodo que contiene oxígeno y gas inerte a la zona de flujo de cátodo (13) de la pila de combustible (3), y alimentar un gas de servicio de ánodo que contiene hidrógeno y gas inerte a la zona de flujo de ánodo (23) de la pila de combustible (3), en donde la concentración de oxígeno en el gas de servicio de cátodo presenta un valor teórico predeterminado y la concentración de hidrógeno en el gas de servicio de ánodo presenta un valor teórico predeterminado, y en donde la presión parcial de gas inerte en el gas de servicio de ánodo es igual a la presión parcial de gas inerte en el gas de servicio de cátodo,
- dejar reaccionar oxígeno e hidrógeno en la pila de combustible creando energía eléctrica, un gas de combustión de cátodo que contiene gas inerte y agua y un gas de combustión de ánodo que contiene gas inerte y agua, - separar agua líquida del gas de combustión de cátodo y del gas de combustión de ánodo creando un gas de combustión de cátodo exento de agua líquida y un gas de combustión de ánodo exento de agua líquida, - alimentar todo el gas de combustión de cátodo exento de agua líquida al trayecto de flujo de gas de servicio de cátodo (12) y alimentar todo el gas de combustión de ánodo exento de agua líquida al trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo (22),
- determinar un valor real de la concentración de oxígeno del gas en el trayecto de flujo de gas de servicio de cátodo (12) y determinar un valor real de la concentración de hidrógeno del gas en el trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo (22),
- alimentar oxígeno al trayecto de flujo de gas de servicio de cátodo (12) hasta alcanzar el valor teórico predeterminado de la concentración de oxígeno del gas de servicio de cátodo, y alimentar hidrógeno al trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo (22) hasta alcanzar el valor teórico predeterminado de la concentración de hidrógeno del gas de servicio de ánodo, y
- mantener una velocidad de flujo de gas en el circuito de gas de cátodo (11) y en el circuito de gas de ánodo (21),
y en donde durante el funcionamiento de la al menos una pila de combustible (3) no se aloja ningún material del entorno o se emite a este y no se almacena ningún gas de combustión de pila de combustible, aparte del almacenamiento de agua en forma líquida.
10. Procedimiento según la reivindicación 9, en el que antes de la puesta en funcionamiento inicial de la disposición de pila de combustible (2) se llevan a cabo las siguientes etapas:
- llenar el circuito de gas de cátodo (11) y el circuito de gas de ánodo (21), mediante evacuación y/o alimentación de gas inerte, esencialmente al mismo tiempo en cada caso con una cantidad de gas inerte tal que en la alimentación de oxígeno al trayecto de flujo de gas de servicio de cátodo (12) en las condiciones operativas del sistema de pila de combustible (1) se forma un gas de servicio de cátodo con el valor teórico predeterminado de la concentración de oxígeno, y en la alimentación de hidrógeno al trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo (22) en las condiciones operativas del sistema de pila de combustible (1) se forma un gas de servicio de ánodo con el valor teórico predeterminado de la concentración de hidrógeno,
- ajustar las condiciones operativas del sistema de pila de combustible (1),
- alimentar oxígeno al trayecto de flujo de gas de servicio de cátodo (12) hasta alcanzar el valor teórico predeterminado de la concentración de oxígeno del gas de servicio de cátodo, y esencialmente al mismo tiempo - alimentar hidrógeno al trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo (22) hasta alcanzar el valor teórico predeterminado de la concentración de hidrógeno del gas de servicio de ánodo.
11. Procedimiento según la reivindicación 9 o 10, en el que la concentración de oxígeno en el trayecto de flujo de gas de servicio de cátodo (12) y la concentración de hidrógeno en el trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo (22) se determinan regularmente o continuamente.
12. Procedimiento según una de las reivindicaciones 9 a 11, en el que como gas inerte se emplea nitrógeno.
13. Procedimiento para hacer funcionar un sistema de pila de combustible (1) con aire como gas de servicio de cátodo y un gas de servicio de ánodo que contiene hidrógeno y nitrógeno, en donde el sistema de pila de combustible (1) presenta
- una disposición de pila de combustible (2) con al menos una pila de combustible (3), en donde la pila de combustible presenta un cátodo (10) con una zona de flujo de cátodo (13) y un ánodo (20) con una zona de flujo de ánodo (23),
- un trayecto de flujo de gas de cátodo (11'), que comprende un trayecto de flujo de gas de servicio de cátodo (12), la zona de flujo de cátodo (13) y un trayecto de flujo de gas de combustión de cátodo (14), y
- un circuito de gas de ánodo (21), que comprende un trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo (22), la zona de flujo de ánodo (23), un trayecto de flujo de gas de combustión de ánodo (24) y un punto de transición (25), en el cual el trayecto de flujo de gas de combustión de ánodo (24) se convierte en el trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo (22),
en donde el procedimiento presenta las siguientes etapas:
- alimentar aire como gas de servicio de cátodo a la zona de flujo de cátodo (13) de la pila de combustible (3), en donde el aire presenta una concentración de oxígeno, y alimentar un gas de servicio de ánodo que contiene hidrógeno y nitrógeno a la zona de flujo de ánodo (23) de la pila de combustible (3), presentando la concentración de hidrógeno en el gas de servicio de ánodo un valor teórico predeterminado, que corresponde a la concentración de oxígeno en aire y en donde la presión parcial de nitrógeno en el gas de servicio de ánodo es igual a la presión parcial de nitrógeno en el gas de servicio de cátodo,
- dejar reaccionar oxígeno e hidrógeno en la pila de combustible creando energía eléctrica, un gas de combustión de cátodo que contiene nitrógeno y agua y un gas de combustión de ánodo que contiene nitrógeno y agua, - separar agua líquida del gas de combustión de ánodo creando un gas de combustión de ánodo exento de agua líquida,
- alimentar todo el gas de combustión de ánodo exento de agua líquida al trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo (22),
- determinar un valor real de la concentración de hidrógeno del gas en el trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo (22),
- opcionalmente determinar la concentración de oxígeno del aire en el trayecto de flujo de gas de servicio de cátodo (12),
- alimentar hidrógeno al trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo (22) hasta alcanzar el valor teórico predeterminado de la concentración de hidrógeno del gas de servicio de ánodo,
- mantener una velocidad de flujo de gas en el circuito de gas de ánodo (21) y en el trayecto de flujo de gas de cátodo (11'), y
- despedir el gas de combustión de cátodo desde el trayecto de flujo de gas de combustión de cátodo (14), y en donde durante el funcionamiento de la al menos una pila de combustible (3) no se aloja ningún gas de servicio de ánodo del entorno y no se emite ningún gas de combustión de ánodo al entorno o se almacena en el sistema de pila de combustible (1), aparte del almacenamiento de agua en forma líquida.
14. Procedimiento según la reivindicación 13, en el que antes de la puesta en funcionamiento inicial de la disposición de pila de combustible (2) se llevan a cabo las siguientes etapas:
- alimentar aire al trayecto de flujo de gas de cátodo (11'), y esencialmente llenar al mismo tiempo el circuito de gas de ánodo (21), mediante evacuación y/o alimentación de nitrógeno, con una cantidad de nitrógeno tal que en la alimentación de hidrógeno al trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo (22) en las condiciones operativas del sistema de pila de combustible (1) se forma un gas de servicio de ánodo con el valor teórico predeterminado de la concentración de hidrógeno, que corresponde a la concentración de oxígeno en el aire,
- ajustar las condiciones operativas del sistema de pila de combustible (1), y
- alimentar hidrógeno al trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo (22) hasta alcanzar el valor teórico predeterminado de la concentración de hidrógeno del gas de servicio de ánodo.
15. Procedimiento según la reivindicación 13 o 14, en el que la concentración de hidrógeno en el trayecto de flujo de gas de servicio de ánodo (22), y opcionalmente la concentración de oxígeno en el trayecto de flujo de gas de servicio de cátodo (12) se determina regularmente o continuamente.
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