ITMI992531A1 - Batteria di celle a combustibile a membrana polimerica - Google Patents

Description

DESCRIZIONE DI INVENZIONE INDUSTRIALE

L'invenzione è relativa ad una batteria di celle a combustibile a membrana polimerica.

Le celle a combustibile sono generatori elettrochimici di energia elettrica continua; esse convertono cioè l’energia libera di reazione di un combustibile (ad esempio una miscela gassosa contenente idrogeno, ovvero alcoli leggeri quali metanolo o etanolo) con un comburente (ad esempio aria ovvero ossigeno) senza degradarla completamente allo stato di energia termica, e pertanto senza soggiacere alle limitazioni del ciclo di Carnot. Tale conversione viene realizzata mediante ossidazione elettrochimica del combustibile al polo negativo della cella, con conseguente rilascio di ioni H+, e contemporanea riduzione del comburente al polo positivo, laddove detti ioni H+ vengono consumati; la migrazione di tali ioni dal comparto negativo al comparto positivo della cella avviene attraverso un opportuno elettrolita. Nel caso delle celle a membrana polimerica, tale elettrolita è costituito da una membrana a scambio cationico, che agisce contemporaneamente da separatore fisico per i reagenti gassosi e da conduttore di ioni positivi, presentando inoltre una sostanziale assenza di conduzione elettronica, in modo da massimizzare la forza elettromotrice del generatore. Le semireazioni citate, di ossidazione del combustibile e di riduzione del comburente, sono normalmente realizzate con l'ausilio di un catalizzatore, in intimo contatto con le rispettive facce della membrana polimerica.

Le celle a combustibile sono considerate una eccellente alternativa ai sistemi tradizionali di generazione elettrica, soprattutto per via dell'impatto ambientale estremamente favorevole (assenza di emissioni nocive e di rumore, formazione di acqua come sottoprodotto); esse trovano impiego sia nel campo della generazione di potenza fissa di taglia varia (centrali elettriche, gruppi di continuità etc.) sia nel campo dei veicoli di vario genere (autotrazione elettrica, generazione di energia motrice o ausiliaria in applicazioni navali, sottomarine e spaziali).

Le celle a combustibile ad elettrolita polimerico offrono, rispetto al caso generale, ulteriori vantaggi, per via della rapidità di avviamento e di raggiungimento delle condizioni ottimali di regime, della elevata densità di potenza, della intrinseca affidabilità connessa sia all'assenza di parti in movimento, sia all’assenza di fenomeni di corrosione e di cicli termici onerosi per i materiali: infatti, fra tutte le celle a combustibile note nell'arte, quelle ad elettrolita polimerico presentano in assoluto la più bassa temperatura di esercizio (usualmente, 70-100“C).

I vantaggi connessi alla capacità di operare in tali condizioni sono tuttavia accompagnati da alcune limitazioni, come la diminuita attività dei catalizzatori a bassa temperatura, la loro estrema sensibilità al monossido di carbonio, inevitabilmente presente nelle miscele combustibili a base di idrogeno prodote con gli usuali processi industriali, l'impossibilità di sfrutare il calore prodotto con sistemi di cogenerazione, perché troppo povero di contenuto energetico. Per questo motivo, una delle recenti tendenze in questo ramo della tecnica è quella di sviluppare membrane polimeriche in grado di operare a temperature solo leggermente più elevate (100-150°C), in modo da alleviare in misura sensibile gli inconvenienti testé enunciati, senza ricadere in quelli, ben più onerosi in termini di cicli termici, fenomeni di corrosione, resistenza dei materiali, che rendono le celle a combustibile ad alta temperatura (200-800°C) inadatte ad applicazioni di piccola e media taglia. Un’altra tendenza è quella di sviluppare membrane che consentano di operare a densità di corrente sempre più elevata, a parità di tensione di cella e quindi di efficienza elettrica del sistema. L’incremento della densità di corrente permette infatti di aumentare la densità di potenza e di energia delle batterie di celle a combustibile, diminuendo di conseguenza i costi dei materiali per unità di potenza installata. Quest’ultimo è un punto molto importante per il reale successo industriale di questo tipo di tecnologia, ancora penalizzata da costi non sempre competitivi nei riguardi delle tecnologie concorrenti.

Un'ultima tendenza da tenere in considerazione è quella che vede lo sviluppo di batterie di celle a combustibile per applicazioni nelle quali la pressione operativa dei reagenti sia quanto più vicina possibile a quella atmosferica, ai fini di ridurre i costi di esercizio mediante l’opportunità di utilizzare aria ambiente o poco compressa. Tutti questi fattori portano all’esasperazione dei requisiti di sistema per quel che concerne la gestione idrica e termica delle batterìe di celle a combustibile, ovvero dei due aspetti più delicati ed importanti nella progettazione di tali apparati.

Il primo di questi due aspetti, ovvero il bilancio idrico delle celle a combustibile, è notoriamente complicato da due requisiti contrastanti che riguardano altrettanti elementi vitali del sistema: la membrana a scambio ionico, infatti, deve essere necessariamente mantenuta in uno stato sufficientemente idratato per manifestare un'adeguata conducibilità ionica, evitando così l’introduzione di penali resistive in grado di influire pesantemente sull'efficienza elettrica, fino ad impedire del tutto, nei casi più gravi, il funzionamento stesso del generatore. D'altro canto, i siti catalitici sui quali avvengono le due semireazioni devono essere continuamente alimentati con i reagenti gassosi, per poter sostenere il processo. Tale alimentazione di gas sui siti catalitici può avvenire in maniera corretta solamente se non è presente un eccesso di liquido in grado di creare un velo che isoli le particelle di catalizzatore, poiché la diffusione dei gas in tale strato di liquido risulterebbe talmente lenta da imporre penali diffusive, che avrebbero nuovamente effetti molto negativi sull’efficienza elettrica dell’intero sistema. Il bilancio idrico deve tener conto dell’acqua prodotta al polo positivo dalla semireazione catodica, della frazione di essa trasferita dal comparto positivo a quello negativo per diffusione, e dell’acqua asportata dal sistema attraverso gli esausti gassosi in uscita o per evaporazione verso l'esterno. Un adeguato quantitativo di acqua deve essere di conseguenza alimentato nelle celle assieme ai reagenti, per compensare la differenza tra l'acqua complessivamente asportata e quella prodotta all’interno di ciascun comparto. L'esasperazione delle condizioni di processo, in termini di temperatura operativa e di densità di corrente elettrica generata (anch'essa fonte di innalzamento termico locale e di accresciuta evaporazione di acqua dalla membrana a scambio ionico) richiede in particolare un incremento nella quantità di acqua da alimentare nel sistema, requisito non facile da ottemperare soprattutto a bassa pressione, laddove cioè i gas, maggiormente espansi, hanno di per se una portata volumetrica superiore a parità di portata molare, incrementando la loro capacità di asportare acqua dalle celle.

Il bilancio termico di una cella a combustibile è meno complesso nel suo insieme, ma pone delle sfide tecnologiche non meno rilevanti. La quantità di calore prodotta da una cella a combustibile che opera ad elevata densità di corrente è piuttosto elevata, e deve essere asportata efficacemente per consentire il mantenimento di una temperatura stabile, poiché in caso contrario esso andrebbe a turbare gli equilibri idrici del sistema, con un effetto sinergico difficile da contrastare una volta innescato. Occorre inoltre tener conto del fatto che il raggiungimento di temperature troppo elevate anche localmente e per brevi periodi può facilmente causare il cedimento strutturale delle membrane, le quali rappresentano uno dei componenti più costosi dell'intero apparato, e che sono inoltre piuttosto difficili da sostituire senza danneggiare altri componenti della batteria. Occorre quindi prevedere un sistema di asportazione del calore efficace, il quale a sua volta non introduca penali in termini di pesi ed ingombri, che renderebbero il sistema poco competitivo soprattutto per certe tipologie di applicazione (es. per l'impiego nelfautotrazione elettrica).

Un accorgimento utile per moderare l'incidenza delle problematiche di asportazione del calore è quello di selezionare materiali con un sufficiente coefficiente di scambio termico per la costruzione delle celle a combustibile: il brevetto statunitense 5,482,792, ad esempio, descrive batterie di celle a combustibile in cui i piatti bipolari e terminali ed i collettori di corrente, le cui superfici sono utilizzate per realizzare lo scambio di calore, sono realizzati a partire da materiali metallici di vario genere (leghe di alluminio o di nickel, acciai, etc.). L’utilizzo di materiali reticolati ad alto sviluppo superficiale come collettori di corrente (spugne metalliche, sinterizzati, sovrapposizione di reti o lamiere stirate) consente altresì di abbinare la funzione di umidificazione dei reagenti gassosi a quella di asportazione del calore prodotto, come è noto dalla domanda di brevetto italiana MI99A000829, che descrive batterie di celle a combustibile provviste di un unico circuito che realizza l'immissione di acqua all'interno di siffatti collettori di corrente delle singole celle. In tal modo si asporta il calore mediante la parziale evaporazione che si verifica sul materiale ad alto sviluppo superficiale, utilizzando la frazione di acqua non evaporata per umidificare le membrane. Questo tipo di realizzazione consente l'esercizio di batterie di celle a combustibile ad una densità di corrente più elevata rispetto a quella che si otterrebbe con un sistema di tipo convenzionale, che consiste ad esempio nella pre-umidificazione dei reagenti mediante gorgogliamento in appositi recipienti pressurizzati, e alimentazione di un flusso di acqua in un circuito indipendente con appositi canalini scavati all'interno dei piatti bipolari. Questo flusso consente l’asportazione del calore dalla superficie dei piatti stessi. Nonostante le semplificazioni costruttive introdotte dal disegno di MI99A000829, è altresì evidente che esso soffre di una limitazione ben precisa in termini di flessibilità operativa, data dal fatto che l'umidificazione delle membrane può essere realizzata solo con acqua pura (almeno demineralizzata), e che lo stesso fluido è preposto all'asportazione del calore. E’ evidente, pertanto, che l’esercizio del generatore così concepito in condizioni critiche di temperatura, pressione e densità di corrente risente dell'impossibilità di utilizzare un fluido di raffreddamento dalle migliori caratteristiche.

E’ noto dalla domanda di brevetto italiana MI99A001090 un sistema efficace di pre-umidificare i reagenti gassosi da alimentare in una batterìa di celle a combustibile mediante un dispositivo che contiene un materiale metallico reticolato come riempimento, nel quale viene alimentato il gas da umidificare contemporaneamente ad un flusso calibrato di acqua allo stato liquido; tale sistema risulta più compatto ed efficace dei tradizionali gorgogliatoli per gas, tuttavia è insufficiente a realizzare da solo anche il raffreddamento della batteria alimentata, poiché l’evaporazione parziale del flusso dì acqua avviene in tale dispositivo esterno lontano dalla superfìcie attiva di cella, cioè dal punto ove il calore viene generato. Una volta alimentato nelle celle, il flusso gassoso perfettamente saturato previene l’evaporazione di acqua dalla membrana, che rimane pertanto ben idratata, ma solo a patto che un mezzo di termostatazione esterno mantenga costante la temperatura di cella.

I sistemi di termostatazione convenzionali per batterie di celle a combustibile introducono fattori di peso, ingombro e costi derivanti da complicazioni costruttive, benché l’utilizzo di materiali metallici migliori notevolmente l'efficienza dello scambio termico. Un sistema comunemente adottato per asportare il calore di reazione è la creazione di canalini interni ai piatti bipolari, all'interno dei quali viene fatto circolare un fluido refrigerante idoneo; questo comporta che il piatto risultante ha uno spessore considerevole, per permettere l'alloggiamento dei canalini, e per di più complesso e costoso, per le lavorazioni meccaniche necessarie a produrlo. Una soluzione più conveniente consiste nel creare, per mezzo di una idonea guarnizione, un’intercapedine tra due gusci lisci e sottili, posti in contatto elettrico mediante inserti metallici a formare un piatto bipolare; l'intercapedine può essere utilmente sfruttata per far circolare un fluido di raffreddamento, e le complicazioni meccaniche risultanti sono limitate. Tuttavia, evidenti ragioni di stabilità costruttiva impongono ancora uno spessore totale considerevole per ciascun piatto bipolare, comunque non inferiore a 5 mm nel migliore dei casi. Un metodo per raffreddare i piatti bipolari di una batteria di celle a combustibile guadagnando in semplicità costruttiva, pesi ed ingombri è noto dalla domanda di brevetto EP 896379. L’invenzione ivi descritta prevede l’asportazione del calore sui piatti bipolari di una batteria di celle a combustibile attraverso la circolazione di un fluido refrigerante lungo una zona periferica della superficie piatti stessi, esterna all'area attiva. In questo modo, lo spessore dei piatti può essere drasticamente ridotto, in mancanza di dispositivi di circolazione all'interno dello spessore degli stessi. Questa soluzione consente un discreto funzionamento in condizioni di processo non esasperate, soprattutto in termini di temperatura e densità di corrente; infatti, l'asportazione del calore attraverso una porzione periferica dei piatti comporta l'instaurazione di un gradiente termico a distribuzione trasversale sulla superficie di cella: la zona centrale di ogni cella viene cioè a trovarsi ad una temperatura superiore rispetto a quella delle zone più esterne, e tale fenomeno si ripercuote sulla stabilità della membrana polimerica, soggetta a dilatazioni termiche irregolari, oltre che a potenziali fenomeni di disidratazione locali, i quali a loro volta si riflettono sulla brusca caduta tanto nella conducibilità ionica quanto nella resistenza meccanica. Tutto ciò introduce una indesiderata limitazione nel disegno di cella in termini di ampiezza dell’area attiva, poiché quanto maggiore è la distanza fra il centro della cella e la periferia, tanto più marcato è il gradiente termico. Inoltre, per mantenere la zona centrale della membrana al di sotto della temperatura massima di esercizio consentita, è necessario che la zona periferica sia mantenuta ad una temperatura molto bassa. Quest’ultimo fattore a sua volta genera due inconvenienti molto importanti: anzitutto una frazione considerevole delle due semireazioni verrebbe condotta su una zona troppo fredda, sia in termini di attività del catalizzatore, che in termini di conducibilità ionica della membrana; in secondo luogo, il mantenimento in circolazione di un refrigerante a temperatura molto bassa risulterebbe oneroso per l'economia globale del sistema, ed addirittura impossibile per certe tipologie di applicazione (ad es. per la trazione automobilistica).

E’ un obiettivo della presente invenzione quello di fornire una batteria di celle a combustibile provvista di piatti bipolari e terminali in materiale metallico, utilizzabile in un ampio intervallo di condizioni di processo.

E’ un ulteriore obiettivo della presente invenzione quello di fornire una batteria di celle a combustibile provvista di piatti bipolari e terminali in materiale metallico caratterizzati da pesi ed ingombri limitati, e producibili senza richiedere lavorazioni meccaniche onerose.

E’ un ulteriore obiettivo della presente invenzione quello di fornire un disegno di batteria di celle a combustibile adatto ad elevate superfici attive.

E’ un ulteriore obiettivo della presente invenzione quello di fornire un disegno di batteria di celle a combustibile con un sistema di umidificazione ad alta efficienza, ed un sistema di raffreddamento misto, parzialmente integrato nel sistema di umidificazione ed avente la possibilità di utilizzare un'ampia gamma di fluidi per la termostatazione.

L’invenzione consiste in una batteria comprendente celle a combustibile e celle di umidificazione, impilate in un arrangiamento tipo filtro-pressa e mutuamente separate da piatti metallici, connesse reciprocamente in serie elettrica attraverso detti piatti metallici.

La tenuta idraulica tra un piatto metallico ed il successivo è realizzata per mezzo di guarnizioni in forma di cornice, opportunamente sagomate, ciascuna delle quali delimita, su ciascuna superficie di ciascun piatto, una zona periferica, in corrispondenza della cornice, ed una zona centrale, interna alla guarnizione.

All'interno della zona periferica dei piatti sono ricavate opportune asole le quali, in seguito airimpilamento dei componenti citati, formano corrispondenti collettori per l'alimentazione dei reagenti gassosi e dell’acqua, per lo scarico dei gas esausti e per la circolazione di un fluido refrigerante lungo un’area delimitata della zona periferica.

L'opportuna sagomatura delle diverse guarnizioni consente di determinare, per ciascuna cella, quali di questi collettori vengano posti in comunicazione con la zona interna di ciascun piatto e quali vengano esclusi, secondo procedure di progettazione note ed implicite nel concetto di arrangiamento tipo filtro-pressa.

La zona interna delimitata da ciascuna guarnizione è riempita con una materiale metallico reticolato ad elevata porosità, preferibilmente non inferiore al 50%, ad esempio con una spugna metallica, un sinterizzato o un impilamento di reti o lamiere stirate.

La figura 1 mostra una vista in sezione di una cella a combustibile facente parte dei dispositivo dell'invenzione.

La figura 2 mostra una guarnizione di una cella a combustibile facente parte del dispositivo dell’invenzione.

La figura 3 mostra una vista in sezione di una cella di umidificazione facente parte del dispositivo dell’invenzione.

La figura 4 mostra una guarnizione di una cella di umidificazione facente parte del dispositivo dell'invenzione.

La figura 5 mostra un possibile schema di realizzazione del dispositivo dell'invenzione, ottenuto per impilamento di celle a combustibile e celle di umidificazione, secondo una geometria tipo filtro-pressa.

La figura 6 mostra un possibile schema di integrazione del dispositivo dell'invenzione in un impianto provvisto dei circuiti ausiliari per la termostatazione e l'umidificazione dei reagenti

Facendo riferimento alla figura 1 , ogni cella a combustibile (1) è delimitata da due piatti metallici (2) e contiene una coppia di guarnizioni (3) la cui zona interna è riempita con il suddetto materiale metallico reticolato (4), ed una membrana (5) la cui superficie è almeno in parte attivata con un materiale catalitico. Come mostra la figura, il materiale metallico reticolato (4) contatta da un lato la superficie del piatto metallico (2) adiacente alla rispettiva guarnizione (3) , dall'altro una faccia della membrana attivata (5).

Facendo riferimento alla figura 2, ogni guarnizione (3) relativa alle celle a combustibile (1) è provvista, nella zona periferica, di canalini (6) per l'alimentazione di un reagente gassoso dai rispettivi collettori di distribuzione (7’) e per lo scarico degli esausti nei rispettivi collettori di estrazione (7), e di almeno un’apertura che delimita almeno una zona (8) lungo la quale un fluido di termostatazione che circola nell’apposito circuito asporta calore dal piatto metallico adiacente; preferibilmente sono presenti almeno due zone di circolazione (8), situate lungo due lati opposti della guarnizione (3). Le zone (8) di circolazione del fluido di termostatazione possono essere convenientemente riempite con un materiale ad elevata porosità e con buone caratteristiche di scambio termico, e preferibilmente con lo stesso materiale (4) utilizzato all'interno delle guarnizioni (3).

Facendo riferimento alla figura 3, ogni cella di umidificazione (9) è delimitata da due piatti metallici (2) e contiene una guarnizione (3’) la cui zona interna è riempita con un materiale metallico reticolato (4) che realizza il contatto elettrico tra i due piatti (2).

Facendo riferimento alla figura 4, ogni guarnizione (3’) è provvista, nella zona periferica, di canalini (6’) per l'alimentazione del reagente da umidificare e dell’acqua dall’apposito collettore di alimentazione (10) e per l'immissione del gas umidificato dal rispettivo collettore di distribuzione (7’); è altresì mostrato il passaggio al relativo collettore di estrazione (7) dalle celle a combustibile.

Ogni cella di umidificazione è preposta per l'umidificazione di un solo gas; nel caso sia necessario umidificare sia l'ossidante che il combustibile, occorre predisporre celle di umidificazione separate per ciascuno dei due reagenti. La figura 5 mostra una possibile batteria di celle a combustibile (1) e celle di umidificazione (9), secondo l’invenzione. Pur se nel caso specifico della figura 5 le celle di umidificazione sono state confinate ad una estremità del'impilamento, in modo da costituire una sezione di umidificazione (12) separata dalla sezione di generazione della corrente elettrica (13), esse possono essere convenientemente distribuite secondo modalità alternative, ad esempio suddivise in due sezioni alle due estremità del'impilamento, o intercalate tra piccoli gruppi di celle a combustibile, o raggruppate all’interno dell'impilamento. E' altresì evidente, per un esperto della tecnica delle batterie tipo filtro-pressa, che la distribuzione delle celle di umidificazione (9) in corrispondenza di una estremità dell'impilamento offre la soluzione ottimale per un più semplice disegno dei collettori (7) e (7’).

La figura 6 mostra, a titolo puramente esemplificativo, un possibile schema di integrazione di un generatore realizzato secondo la particolare geometria previamente illustrata in figura 5 in un impianto provvisto dei circuiti ausiliari preposti al suo funzionamento. Nel caso in cui vengano prescelte diverse soluzioni per distribuire le celle di umidificazione (9) lungo l'arrangiamento modulare che costituisce la batteria, tale integrazione sarà soggetta alle relative modifiche di realizzazione, che rientrano nelle normali conoscenze di un esperto del settore. Nella batteria illustrata in figura 6, la sezione di umidificazione (12) è alimentata con un ossidante, ad esempio aria, e con acqua attraverso il rispettivo canalino (10) ricavato nella guarnizione di umidificazione (3’). L’alimentazione del’aria, non mostrata, può essere effettuata da un compressore, da un ventilatore o da altro mezzo equivalente. L'acqua viene alimentata attraverso una linea (14) sulla quale si innesta anche il flusso dell’acqua in eccesso recuperata dal generatore. Secondo lo schema mostrato, l’aria esausta in uscita dal generatore attraverso il corrispettivo collettore (7), viene alimentata mediante una linea esterna (15) ad un separatore di condensa (16); la frazione liquida passa quindi in uno scambiatore di calore (17) e giunge ad un serbatoio di raccolta (18), ove può essere anche realizzato il reintegro dell’acqua complessivamente persa nel ciclo; dal serbatoio di raccolta (18), l’acqua viene pompata nella sezione di umidificazione (12) attraverso la linea (14).

Un circuito analogo può essere predisposto anche per l'umidificazione del combustibile.

Un circuito di raffreddamento separato (19), provvisto di uno scambiatore di calore (20) e di un serbatoio di raccolta (21) alimenta a sua volta le celle a combustibile (1) mediante l'apertura ricavata nelle guarnizioni (3) che consente lo scambio termico del fluido di termostatazione prescelto con le zone di circolazione preferibilmente riempite con un materiale metallico ad alto sviluppo superficiale ((8) in figura 2).

Come mostrato nelle figure testé illustrate, secondo la presente invenzione, le celle di umidificazione (9) sono alimentate tramite i rispettivi canalini (6’) con il gas da umidificare, e con un flusso di acqua in eccesso rispetto alla quantità necessaria a saturare il gas alimentato. La compresenza di gas ed acqua sul materiale reticolato ad alto sviluppo superficiale (4) garantisce la perfetta saturazione del gas, mentre la frazione di acqua in eccesso viene trascinata allo stato liquido attraverso i canalini (6') di uscita. Questa miscela di gas saturo ed acqua viene quindi alimentata tramite il collettore di alimentazione (7') alle celle a combustibile (1). E’ possibile utilizzare questo sistema per umidificare entrambi i gas oppure uno solo; ad esempio, per celle a combustibile da alimentare con idrogeno puro e aria, può essere conveniente predisporre l'umidificazione di quest’ultima, tralasciando di umidificare l’idrogeno.

Le celle a combustibile (1) sono raffreddate in parte dalla circolazione di un fluido di termostatazione appropriato che asporta il calore in corrispondenza delle zone di circolazione ((8) in figura 2); come è evidente, la scelta de fluido appropriato dipende dalle condizioni di processo, soprattutto dalla temperatura operativa. E’ ad esempio possibile impiegare acqua allo stato liquido o di vapore, oli, alcoli, glicoli o altri mezzi noti allo stato della tecnica. L'asportazione del calore in corrispondenza delle zone di circolazione (8) ha efficacia soltanto in una regione dell'area attiva di cella relativamente vicina alla zona periferica; si avrebbe pertanto, come precedentemente affermato, la tendenza all’instaurazione di un profilo trasversale di temperatura, in cui la zona centrale della zona dovrebbe tendere a surriscaldarsi. E’ stato però sorprendentemente notato che l’acqua trascinata allo stato liquido dalle celle di umidificazione (9) alle celle a combustibile (1 ), giungendo in corrispondenza della zona centrale, più calda, del materiale di riempimento (4), tende quivi ad evaporare, assorbendo il corrispondente calore latente di evaporazione e contribuendo al raffreddamento di tale zona centrale, ed al mantenimento del flusso di gas allo stato di saturazione in corrispondenza di detta zona. Questo meccanismo di raffreddamento congiunto da parte dei due distinti fluidi, al centro ed alla periferia, manifesta sorprendenti caratteristiche di autoregolazione, probabilmente dovute al fatto che, nel momento in cui il gradiente termico tende ad accentuarsi, ad esempio a causa di un incremento nella densità di corrente generata, la quantità di acqua che evapora nella regione centrale della cella tende ad aumentare, asportando più calore. Questa caratteristica è ancor più desiderabile nel caso di applicazioni che prevedano un carico di utilizzo variabile, come è ancora il caso delle batterie di celle a combustibile per autotrazione, le quali devono rispondere a picchi di potenza anche molto elevati, in corrispondenza di accelerazioni o salite. Il sistema di raffreddamento autoregolante testé descritto consente un funzionamento stabile, anche in situazioni molto crìtiche, a patto che il quantitativo di acqua alimentato in eccesso dalle celle di umidificazione (9) sia sufficiente non solo globalmente, ma anche localmente, vale a dire per ogni singola cella a combustibile (1). Perché ciò avvenga al meglio, è importante prevenire condensazioni locali nel collettore di alimentazione (7'), che deve essere preferibilmente mantenuto ad una temperatura uniforme. I collettori di distribuzione (7’) ricavati attraverso asole nei piatti metallici (2) presentano lo svantaggio di avere, per l’appunto, pareti metalliche, quindi soggette ad un forte scambio termico. E’ particolarmente vantaggioso isolare l'intero spessore del piatto in corrispondenza delle asole con un opportuno materiale, ad esempio un materiale plastico, ai fini di prevenire fenomeni di condensazione locale che lascino alcune celle a combustibile (1 ) in carenza di acqua. Simili considerazioni valgono per i collettori di alimentazione dell’acqua e dell’aria (10). L’acqua, percorrendo longitudinalmente la batteria attraverso tali collettori, si riscalda: mentre questo può risultare positivo agli effetti della umidificazione delle celle(9), è certamente negativo per quanto riguarda la capacità di raffreddamento dell’acqua all'interno delle celle a combustibile (1 ). Il modo più semplice ed economico di realizzare l’isolamento termico è quello di infilare un tubo di materiale plastico o di altro materiale termicamente isolante, provvisto delle opportune aperture, all’interno del collettore di alimentazione (7), in modo da rivestirne completamente la parete interna. Con questo semplice accorgimento, il sistema di umidificazione e raffreddamento integrato testé descritto è in grado di consentire il funzionamento di una batteria di celle a combustibile anche in condizioni di processo estreme, minimizzando differenza di prestazioni tra le singole celle, anche per moduli di grandi dimensioni, come meglio esplicitato nei seguenti esempi.

ESEMPIO 1

E’ stata assemblato un dispositivo corrispondente allo schema della figura 5, comprendente 25 celle a combustibile in serie elettrica di area attiva 0.1 m2, e 5 celle di umidificazione, confinate ad una estremità del’impilamento filtropressa, in modo da costituire una sezione di umidificazione separata; l'arrangiamento filtro-pressa è stato predisposto in modo che tutte e cinque le celle fossero preposte all'umidificazione di uno solo dei due reagenti da alimentare nel dispositivo. Le celle a combustibile comprendevano guarnizioni analogamente a quanto mostrato in figura 2, spesse 2 mm, ed un materiale di riempimento costituito da una spugna di nickel-cromo di spessore 2 mm e porosità pari al 50%. Lo stesso materiale di riempimento è stato utilizzato per le guarnizioni della sezione di umidificazione, anch’esse aventi spessore pari a 2 mm.

La batteria cosi ottenuta è stata messa in funzione con una alimentazione di idrogeno puro a consumo totale (vale a dire senza ricircolazione né spurgo, con il quantitativo di idrogeno consumato dalla reazione reintegrato man mano per un semplice equilibrio di pressione) e di aria ambiente, compressa e filtrata. L’aria è stata alimentata ad una portata pari al doppio di quanto richiesto dalla stechiometria di reazione, e l’esausto scaricato all'atmosfera. Il dispositivo è stato allacciato ad un circuito di raffreddamento analogo a quanto mostrato in figura 6, comprendente una pompa di ricircolazione, un serbatoio di raccolta ed uno scambiatore di calore. Contrariamente a quanto mostrato in figura 5, tuttavia, le celle di umidificazione sono state escluse dall’alimentazione dei gas, e l'aria proveniente dalla fase di compressione è stata invece saturata per gorgogliamento in un serbatoio termostatato a 90°C e mantenuto alla stessa pressione del comparto catodico della batteria di cella a combustibile, a meno delle perdite di carico. Nel circuito di raffreddamento è stata messa in circolo acqua demineralizzata a 50°C, a flusso costante (4 m3/h). Entrambi i reagenti sono stati mantenuti ad una pressione di 2 bar assoluti. Un carico resistivo variabile permetteva di variare la densità della corrente generata; la densità di corrente è stata così variata imponendo un incremento progressivo, fino a determinare la massima densità di corrente che consentisse un funzionamento stabile nel tempo, con una differenza di potenziale di cella singola non inferiore a 0.4 V. In queste condizioni operative, il generatore ha erogato corrente in modo stabile fino ad una densità di corrente di 650 mA/cm2; a densità di corrente superiore, la tensione di alcune celle tendeva a scendere bruscamente, probabilmente a causa di fenomeni di surriscaldamento locale, anche se la tensione media delle altre celle era ancora superiore a 0.7 V. L'aumento della portata dell’acqua di raffreddamento fino a 18 ma/h non ha prodotto risultati apprezzabili. In una situazione di questo tipo, c’è il rischio che la tensione di una o più celle inverta addirittura il suo segno, e che tali celle funzionino da elettrolizzatori di acqua a causa della differenza di potenziale mantenuta dalle celle adiacenti, con l’eventualità che si sviluppi idrogeno nel compartimento ove viene alimentata l'aria; inoltre, i fenomeni di surriscaldamento locale potrebbero condurre al brusco cedimento strutturale delle membrane interessate, con il rischio di un improwiso mescolamento dei due reagenti. La prova è stata pertanto tempestivamente interrotta.

ESEMPIO 2.

Il generatore dell'esempio precedente è stato allacciato ad un impianto in tutto corrispondente a quanto mostrato in figura 6. E’ stato ripetuto l’esperimento di cui all’esempio precedente, apportando tuttavia due variazioni: l'aria compressa non è stata previamente saturata in un serbatoio a gorgogliamento, bensì alimentata nella sezione di umidificazione del dispositivo, assieme ad un flusso di acqua pari a 30 l/h.

Inoltre, il circuito di raffreddamento non è stato messo in funzione. In queste condizioni, il generatore ha potuto erogare, in condizioni stabili, una densità di corrente pari a 200 mA/cm2; aumentando la portata dell’acqua di umidificazione, è stato possibile aumentare di pari passo anche a densità di corrente, fino ad erogare 380 mA/cm2 con 72 l/h di acqua alimentata. Oltre questa densità di corrente, l'aumento di portata di acqua di alimentazione non ha più ottenuto alcun effetto significativo, e la prova è stata interrotta a causa del brusco calo di tensione su più celle del dispositivo.

ESEMPIO 3.

E’ stato ripetuto l’esperimento di cui all'esempio 2, con l’unica variante consistente nella messa in funzione del circuito di raffreddamento, con acqua demineralizzata, a 50°C ed al flusso costante di 4 m3/h. Alimentando 72 l/h di acqua nel circuito di umidificazione, è stata mantenuta una densità di corrente stabile pari a 1050 mA/cm2, con una tensione di cella media di 0.42 V, ed una tensione minima di cella singola di 0.4 mV, per un totale di nove ore di funzionamento.

ESEMPIO 4.

E' stato ripetuto l'esperimento di cui all’esempio 3, dopo aver inserito nel collettore di alimentazione dell'aria un tubo di PTFE opportunamente forato, in modo da favorire l'isolamento termico del collettore stesso, prevenendo una eccessiva condensazione di acqua sulle pareti del collettore stesso. In queste condizioni è stata mantenuta una densità di corrente stabile pari a 1200 mA/cm2, con una tensione di cella media di 0.41 V, ed una tensione minima di cella singola di 0.4 V, per un totale di nove ore di funzionamento. Gli esempi testé descritti e le particolari realizzazioni mostrate nelle figure sono dati a titolo puramente illustrativo, e non intendono limitare in alcun modo la presente invenzione, la cui estensione è definita unicamente dalle seguenti rivendicazioni.

Claims (15)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un generatore di corrente elettrica continua, costituito da un arrangiamento che comprende celle a combustibile a membrana polimerica delimitate da piatti metallici ed alimentate con reagenti gassosi, e celle delimitate da piatti metallici preposte all'umidificazione di almeno un reagente gassoso, nel quale le celle a combustibile sono provviste di guarnizioni che delimitano almeno un'area attiva di cella all'interno della quale è alloggiato un primo materiale metallico reticolato, caratterizzato dal fatto che una frazione del calore generato dalle celle a combustibile viene asportato attraverso una zona della superficie dei piatti metallici che delimitano dette celle a combustibile per mezzo della circolazione di almeno un fluido in almeno un circuito di termostatazione, e che la rimanente frazione di detto calore è asportata dall'evaporazione di acqua liquida proveniente dalle celle di umidificazione.
2. 2. Il generatore della rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che detta zona di detti piatti metallici attraverso cui detto almeno un fluido di circolazione asporta detta frazione di calore sia adiacente all'area attiva di detta cella.
3. 3. Il generatore della rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detta zona di detti piatti metallici attraverso cui detto almeno un fluido di circolazione asporta detta frazione di calore contiene un secondo materiale metallico reticolato ad elevata porosità.
4. 4. Il generatore delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che le celle preposte all'umidificazione di almeno un reagente gassoso sono provviste di guarnizioni all'interno delle quali è alloggiato un terzo materiale metallico reticolato ad elevata porosità.
5. 5. Il generatore della rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto di essere alimentato con un quantitativo di acqua in eccesso rispetto al quantitativo necessario alla saturazione di detto almeno un reagente gassoso.
6. 6. Il generatore della rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detti primo, secondo e terzo materiale metallico reticolato sono selezionati dal gruppo che comprende le spugne metalliche, i sinterizzati, le reti, le lamiere stirate, e le differenti combinazioni ottenute per sovrapposizione di almeno due di detti materiali.
7. 7. Il generatore della rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che il materiale di costruzione di detti primo, secondo e terzo materiale metallico reticolato comprende il nickel o almeno una lega di nickel.
8. 8. Il generatore della rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che le celle preposte all'umidificazione di almeno un reagente siano preposte airumidificazione di un ossidante contenente ossigeno.
9. 9. Il generatore della rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che tale ossidante contenente ossigeno è costituito da aria ambiente.
10. 10. Il generatore della rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che le celle preposte all'umidificazione di almeno un reagente siano preposte airumidificazione di un combustibile contenente idrogeno. 11.
11. 11 generatore della rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che l’almeno un reagente umidificato nelle celle preposte a tale scopo sia successivamente alimentato in un collettore di distribuzione le cui pareti interne siano termicamente isolate.
12. 12. Il generatore della rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che detto collettore di distribuzione sia ricavato mediante la giustapposizione di fori ricavati nei piatti metallici che delimitano le celle a combustibile secondo un arrangiamento filtro-pressa, e che l'isolamento termico delle pareti interne di detto collettore sia realizzato mediante l'inserzione di un tubo in materiale termicamente isolante.
13. 13. Il generatore della rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che le celle preposte all'umidificazione di almeno un reagente gassoso siano alimentate con detto reagente e con acqua attraverso un collettore di distribuzione le cui pareti interne siano termicamente isolate.
14. 14. Il generatore della rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto che detto collettore di distribuzione sia ricavato mediante la giustapposizione di fori ricavati nei piatti metallici che delimitano le celle di umidificazione secondo un arrangiamento filtro-pressa, e che l’isolamento termico delle pareti interne di detto collettore sia realizzato mediante l’inserzione di un tubo in materiale termicamente isolante,
15. 15. Un generatore caratterizzato dal fatto di contenere gli elementi distintivi illustrati nei disegni e nella descrizione