MXPA01010724A - Sistema de celdas combustible tolerante a la congelacion y metodo. - Google Patents

Sistema de celdas combustible tolerante a la congelacion y metodo.

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Abstract

Se describe un sistema de celdas de combustible tolerante a la congelacion y un metodo para operar el sistema de celdas de combustible tolerante a la congelacion. El sistema de celdas de combustible tolerante a la congelacion se realiza separando el circuito de enfriamiento (25) de la membrana activa (12) a traves del uso de juntas obturadoras (20, 21) interpuestas entre las placas de celdas colectoras (18, 19). Se describe un metodo de operacion del sistema de celdas de combustible tolerante a la congelacion, el cual comprende hacer fluir un fluido refrigerante diferente al agua pura, que tiene un punto de congelacion lo suficientemente bajo, a traves del circuito de enfriamiento (25). Tambien se describe un metodo para el arranque y paro del sistema de celdas de combustible tolerante a la congelacion. La figura mas representativa de la invencion es la numero 2.

Description

SISTEMA DE CELDAS COMBUSTIBLE TOLERANTE A LA CONGELACIÓN Y MÉTODO CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a sistemas de celdas de combustible y más particularmente a sistemas de enfriamiento para sistemas de celdas de combustible.
', ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN i \ i Una celda de combustible es un dispositivo que genera energía eléctrica convirtiendo la energía química directamente en energía eléctrica mediante una reacción electroquímica del combustible y el oxígeno suministrados a la celda. Una celda de combustible típica incluye una caja que aloja un ánodo, un cátodo y una membrana para electrolito. La membrana para electrolito está colocada entre el ánodo y el cátodo. Una capa de catalizador está colocada sobre la superficie que da hacia el electrolito de cada electrodo. Los catalizadores adecuados incluyen níquel, plata, platino y, en el caso de electrolitos de óxido de circonio estabilizado, óxidos de metal base. El que se usa más comúnmente es el platino. Un material combustible y un oxidante, apropiados, se suministran respectivamente a los ánodos y cátodos, y el combustible y el oxidante reaccionan electroquímicamente para generar una corriente eléctrica, y el producto final de la reacción se retira de la celda. Un tipo de celda de combustible relativamente simple (llamado comúnmente celda de combustible PEM) usa hidrógeno y oxígeno como los materiales combustible y oxidante, respectivamente. El hidrógeno se combina con el oxígeno para formar agua a la vez que se genera una corriente eléctrica y calor. Más específicamente el hidrógeno se consume en el ánodo de la celda de combustible liberando protones y electrones como se muestra en la ecuación (1) siguiente (1) H2-2H+ + 2e" Reacción en el ánodo Los protones producidos son retirados en el electrolito de la celda de combustible. Los electrones producidos viajan desde el ánodo de la celda de combustible hacia la terminal del ánodo, a través de una carga eléctrica, y de regreso a la terminal del cátodo y hacia el cátodo de la celda. Un flujo de iones a través del electrolito completa el circuito. Las velocidades de la reacción química varían con la localización en el electrodo y dependen de factores locales tales como las concentraciones de reactivos y productos y de la temperatura. En el cátodo, el oxígeno, junto con los electrones de la carga y los protones del electrolito, se combinan para formar agua como se muestra en la ecuación (2) siguiente. (2) ¡. 02 + 2H+ +2e" ? H20 Reacción en el cátodo La principal ventaja de una celda de combustible es que convierte la energía química directamente en energía eléctrica, sin la necesidad de sufrir ninguna etapa intermedia, por ejemplo, la combustión de un combustible basado en hidrocarburo o carbón, como en una central térmica • convencional. Las celdas de combustible se pueden clasificar en varios tipos de acuerdo con el electrolito usado. La celda de combustible con un rendimiento relativamente alto usan electrolitos tales como solución acuosa de hidróxido de potasio, ácido fosfórico concentrado, carbonato alcalino 10 fundido y óxido de circonio estabilizado. Dado que las celdas de combustible individuales • pueden producir menos del voltaje deseado, para una aplicación dada, a carga completa, las celdas de combustible prácticas apilan varias celdas de combustible individuales en 15 serie, para conseguir el nivel de voltaje deseado, conectando eléctricamente el cátodo de una celda con el ánodo de una celda adyacente. En consecuencia, comúnmente se usan apilamientos de celdas de combustible. La reacción total en la celda (es decir la 20 formación de agua) es altamente exotérmica. La proporción de generación de calor depende de la velocidad de reacción y del flujo térmico a través de un área dada de la celda de combustible, y es proporcional a la velocidad de reacción local. Consecuentemente, se requiere en general de una 25 estructura para enfriar una celda de combustible y generalmente se diseña en base al flujo térmico máximo proyectado. Generalmente se usa agua para enfriar las celdas de combustible. Las celdas de combustible tipo PEM requieren 4 5 generalmente de la humidificación para mantener la humedad de la membrana para electrolito, la cual se requiere para un funcionamiento eficiente de la celda de combustible. Un solo circuito para agua proporciona generalmente tanto humidificación como enfriamiento para la celda de 10 combustible. ^_ En algunas aplicaciones de celda de combustible, tales como aplicaciones automotrices puede ser necesario comenzar el funcionamiento de un apilamiento de celdas de combustible que tenga una temperatura en el núcleo, por 15 debajo de la temperatura de congelación del agua. Por ejemplo, el estándar automotriz SAE requiere de un funcionamiento entre -40 "C y 53 "C y supervivencia (almacenamiento) de entre -46 *C a 66 'C. Se han encontrado B numerosas dificultades al intentar operar una celda de 20 combustible en aplicaciones por debajo del punto de congelación del agua. Se sabe que el agua se expande significativamente al congelarse. La formación de hielo dentro del sistema de celda de combustible puede destruir los componentes de las celdas de combustible. Inclusive si el 25 daño del componente no ocurre durante el congelamiento, el bloqueo de las líneas del sistema de combustible puede ocurrir lo cual puede retardar el arranque o inicio del funcionamiento de la celda de combustible. Finalmente, para aplicaciones por debajo del punto de congelación, deben seleccionarse refrigerantes que se congelen a temperaturas por debajo del punto de congelación del agua. Los refrigerantes más disponibles, que tienen puntos de congelación por debajo del punto de congelación del agua, "envenenan" según se sabe, la capa de catalizador, uniéndose a los sitios del catalizador, si se deja que esos materiales entren en contacto con la capa de catalizador. Lo que se necesita es un diseño de celda de combustible, tolerante a la congelación y una metodología que permita un funcionamiento confiable de la celda de combustible a temperaturas muy por debajo de la temperatura de congelación del agua.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN Por consiguiente un objeto de la invención es proporcionar un sistema de celdas de combustible que pueda usarse en ambientes por debajo del punto de congelación. Otro objeto de la invención es proporcionar un sistema de celdas de combustible que pueda utilizar refrigerantes diferentes a un refrigerante compatible con el montaje de electrodo de membrana (MEA) .
Todavía otro objeto de la invención es proporcionar técnicas para retirar el agua de la celda de combustible al dejar de funcionar y volver a recalentar rápidamente la celda de combustible durante el arranque o reinicio del funcionamiento. Estos y otros objetos de la invención se consiguen a través de cierto número de modalidades que incorporan características y ventajas de la invención. La invención puede incluir un sistema de celdas de combustible tolerante a la congelación, incluyendo al menos una celda de combustible hecha a partir de un par de placas colectoras que tiene una serie de canales para el flujo de los reactivos. Una primera y una segunda capas para la difusión de gas se coloca entre las placas colectoras; y, un montaje de electrodo de membrana (MEA) que incluye una membrana intercalada entre las dos capas de electrodo. El MEA está interpuesto entre las capas para difusión de gas y los reactivos que se encuentran sobre cada lado del MEA se encuentran substancialmente sellados para que no se fuguen hacia el otro lado del MEA. El apilamiento de celdas de combustible puede incluir además al menos un conducto para refrigerante, para hacer fluir una corriente de refrigerante con relación a las placas colectoras, de manera tal que la corriente de refrigerante no haga contacto con el MEA mientras se enfría la celda de combustible.
De acuerdo con otro aspecto de la invención, el refrigerante que fluye en el conducto para refrigerante es venenoso para el MEA y de esta manera debe aislarse mecánicamente del MEA. Las superficies del conducto para refrigerante, en contacto con el refrigerante, pueden estar aisladas eléctricamente, o el refrigerante puede ser eléctricamente no conductor. El aislamiento puede ser proporcionado mediante un arreglo de junta obturadora alrededor de los orificios para refrigerante que se extienden a través de las placas colectoras. Las juntas obturadoras están separadas preferentemente de las capas para difusión del gas. Alternativamente, el conducto de enfriamiento puede estar colocado afuera de la porción conductora de las placas colectoras y rodeado por el alojamiento. Este alojamiento puede ser moldeado integralmente con las placas colectoras o estar conectado de otra manera a las placas colectoras. El circuito de enfriamiento de la celda de combustible puede incluir el enfriamiento de bordes dentro de la celda de combustible, o se puede proporcionar una capa de enfriamiento afuera de las placas colectoras. Esta capa de enfriamiento puede estar directamente adyacente a cada celda de combustible activa o proporcionarse en etapas intermitentes a través de un apilamiento del celda de combustible . De acuerdo con otro aspecto de la invención, la región interfacial entre las juntas obturadoras de los orificios periféricos y la membrana del área activa pueden estar soportadas mediante la unión de juntas obturadoras secundarias para evitar efectos de borde mecánicos y eléctricos dañinos en la membrana. En modalidades preferidas las juntas obturadoras secundarias se extienden a través de la región de la membrana, no cubierta, entre las juntas obturadoras de orificios y las capas para difusión del gas. Las juntas obturadoras secundarias pueden estar hechas de un número de materiales, incluyendo FEP, TFE, ETFE, PFA, CTFE, E-CTPE, PVF2 y PVF . Para equipar adicionalmente un sistema de celdas de combustible para el uso en ambientes por debajo del punto de congelación, la invención contempla además mejoras y técnicas relacionadas con el arranque y paro, para evitar la presencia de cantidades significativas de agua en la celda de combustible cuando la temperatura de la celda de combustible caiga por debajo del punto de congelación del agua, tal como cuando el sistema de celdas de combustible no esté en funcionamiento. Durante el funcionamiento de la celda de combustible el agua se puede acumular en las capas para difusión del gas, así como en los canales de flujo de la placa colectora. De acuerdo con un aspecto de la invención, los canales para reactivo, en las placas colectoras, son discontinuos, por lo cual se establecen campos de flujo a través de las capas para difusión de gas. Con este arreglo, como parte de un funcionamiento de paro tolerante a la congelación, los gases secos de purga se pueden forzar a través de la celda de combustible, recolectando y conduciendo el agua no únicamente hacia afuera de los canales sino que también hacia afuera de las capas para difusión de gas. Para reducir adicionalmente la acumulación del agua residual después del paro, la superficie de los canales son, de manera preferente, esencialmente impermeables al agua. Además, las superficies de los canales pueden ser esencialmente impermeables a todos los fluidos. Para ayudar adicionalmente en la eliminación efectiva durante el paro, un sistema de celda de combustible de conformidad con la invención puede proporcionar contraflujo en las capas para difusión de gas, en cada, lado de la membrana, para incrementar el gradiente de humedad y la velocidad de transferencia del agua. Los canales para reactivos, de cada placa colectora, pueden estar dispuestos de manera tal que la dirección del flujo del reactivo en una capa para difusión de gases, sea opuesta a la dirección del flujo de reactivo en la otra capa para difusión de gases. Otra mejora para ayudar a la purga de agua se refiere a la colocación de los canales de salida, para usar la fuerza gravitacional. Un sistema de celdas de combustible de conformidad con la invención puede tener salidas para reactivos, en las que al menos una de las salidas esté colocada por debajo de los canales, por lo cual la eliminación del agua es ayudada por la fuerza gravitacional. El agua drenada puede retirarse del sistema o puede recolectarse en un depósito, tal como un tanque. El tanque puede volverse tolerante a la congelación en cierto número de maneras, incluyendo el aislamiento o calentamiento, ya sea desde una fuente directa, dedicada o temporal, tal como la producción de calor a partir del procesador de combustible del sistema o de la celda de combustible. Durante los períodos de inactividad puede dejarse que el agua acumulada en el tanque se congele, siempre y cuando el tanque este diseñado para permitir la expansión del agua congelada. Para proteger las placas colectoras contra el daño mecánico debido a la expansión por congelación de cualquier cantidad de agua residual, las paredes de los canales pueden ser ahusadas y pueden tener esquinas redondeadas . De acuerdo con la invención, un sistema de celdas de combustible puede hacerse más tolerante a la congelación, incorporando procedimientos de paro favorables para los ambientes con congelación. El procedimiento puede incluir las etapas de: reducir la temperatura del sistema de celdas de combustible, por lo cual se condense el vapor de agua en el apilamiento de celdas de combustible; eliminar el agua, líquida y gaseosa, de la celda de combustible; purgar las líneas de gas reactivo con un gas no humidificado; y reducir la presión del sistema hasta una presión aproximadamente 5 igual a la presión atmosférica. Estas etapas pueden llevarse • a cabo en ordenes diferentes y alternativamente pueden iniciarse en forma simultánea. El procedimiento de paro puede incluir las etapas de incrementar adicionalmente el calor de la celda de 10 combustible al realizar el paro o apenas después. Una etapa preferida incluye hacer funcionar el apilamiento de combustible en un modo que de por resultado una salida de • corriente de impulsos. La presencia de cantidades substanciales de agua 15 durante el arranque, antes de que el combustible haya sido calentado por encima del punto de congelación, puede presentar un peligro de daño debido a la expansión por congelación del agua. Entonces, las técnicas de conformidad con la invención proporcionan también procedimientos de 20 arranque que introduzcan agua a fin de evitar la congelación. Estas técnicas puede incluir las etapas de: hacer fluir los gases de reacción secos a través de las líneas de reactivo hacia la celda de combustible; medir la temperatura de la celda de combustible, e iniciar la humidificación de los 25 gases reactivos después de que la temperatura de la celda de combustible se encuentre por arriba de una temperatura predeterminada. La temperatura predeterminada puede ser el punto de congelación del agua a presión ambiente. El procedimiento de arranque puede incluir también preferentemente la presurización hasta la presión máxima de • operación, para incrementar el calentamiento de la celda de combustible y retener cualquier agua residual de descongelación . Los procedimientos de arranque pueden incluir 10 también: proporcionar un humidificador para humidificar los flujos de gases reactivos hacia la celda de combustible; ^^ proporcionar un depósito de agua para el suministro de agua para la humidificación de los flujos de gases reactivos; calentar el depósito para fundir el agua que se encuentra en 15 el depósito; fundir el agua que se encuentra en el depósito; y suministrar agua al humidificador para llevar a cabo la humidificación de los flujos de gases. El calor para fundir el agua que se encuentra en ^B. el depósito puede obtenerse del procesador de combustible. 20 Las etapas de un método de implementación pueden incluir: operar un procesador de combustible en un modo rico en oxidante, para incrementar la producción de calor; transferir una porción de la producción de calor al depósito, para fundir el agua que se encuentra en el mismo; transferir una 25 porción de la producción de calor hacia la celda de combustible para elevar la temperatura de la celda de combustible; inspeccionar la fusión del agua en el depósito y la temperatura de la celda de combustible; ajustar la mezcla de reactivos en el procesador de combustible para incrementar la producción de combustible después de que al menos una porción del agua que se encuentra en el depósito se haya fundido y la temperatura de la celda de combustible haya alcanzado una temperatura predeterminada. Todas las estructuras y métodos de operación anteriores pueden emplearse en diferentes combinaciones.
Solas o en combinación estas características contribuyen a la utilización de un sistema de celdas de combustible en ambientes por debajo del punto de congelación.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Las características y ventajas de la presente invención serán evidentes para los experimentados en la técnica, a partir de la siguiente descripción, con referencia a los dibujos en los que: La Figura 1 ilustra una vista lateral con separación de partes, de una celda de combustible y sistema de refrigeración de conformidad con la invención. La Figura 2 ilustra una vista esquemática de una celda de combustible tolerante a la congelación que comprende un apilamiento de celdas de combustible puesto en contacto con un procesador de combustible y sistemas de humidificación y enfriamiento externos, usados para implementar el método del Solicitante para el uso de una celda de combustible tolerante a la congelación. La Figura 3 ilustra una vista lateral de una celda de combustible que tiene placas colectoras con canales de campo de flujo no continuos, con esquinas ahusadas y rendondeadas . La Figura 4 ilustra una vista lateral con separación de partes, de una celda de combustible que tiene juntas obturadoras primarias y juntas obturadoras secundarias .
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS Se proporciona una novedosa estructura de celdas de combustible tolerante a la congelación que está adaptada para el funcionamiento en ambientes sujetos a temperaturas por debajo del punto de congelación a los que de aquí en adelante se hace referencia como ambientes con temperaturas por debajo del punto de congelación. Como se usa en toda esta descripción, los ambientes por debajo del punto de congelación se refieren también a las condiciones ambientales que pueden encontrarse por arriba de la congelación durante el funcionamiento de una celda de combustible, pero que durante los períodos de inactividad de la celda de combustible se alcanzan temperaturas por debajo del punto de congelación. El sistema de enfriamiento y los sistemas de humidificación se encuentran preferentemente separados. El sistema de enfriamiento está también preferentemente aislado de la región electroquímicamente activa de la celda de combustible, mediante el uso de juntas obturadoras. Separando los sistemas de enfriamiento y humidificación y aislando el sistema de enfriamiento de la región de la celda de combustible, electroquímicamente activa, se pueden usar, como materiales refrigerantes, materiales de otra manera venenosos para la celda de combustible, que tengan puntos de congelación por debajo del punto de congelación del agua. También se describe un método para operar la celda de combustible tolerante a la congelación, durante las condiciones con temperaturas por debajo del punto de congelación. Durante el arranque de la celda de combustible a partir de un modo en reposo, durante condiciones con temperaturas por debajo del punto de congelación, el sistema de celdas de combustible se trabaja en un modo que maximice el calor generado por la celda de combustible. La humidificación se retarda hasta que la temperatura de la celda de combustible se eleve por encima de la temperatura de congelación. El paro de la celda de combustible durante condiciones con temperatura por debajo del punto de congelación, involucra la eliminación de tanta agua como sea posible, de la celda de combustible, en un mínimo período de tiempo. También se describe una novedosa estructura de celdas de combustible tolerante a la congelación, que tiene tanto juntas obturadoras como juntas obturadoras secundarias. Al realizar el montaje de la celda de combustible tolerante a la congelación, se forma una región interfacial entre las 10 juntas obturadoras y el borde de la región electroquímicamente activa de la celda de combustible. Esta ^^ región está sometida a esfuerzo mecánico intensificado y a esfuerzo eléctrico intensificado, debido a la conducción incrementada por efecto de borde, con relación a las áreas 15 electroquímicamente activas de la celda de combustible, retiradas de la región interfacial . Se describe el uso de juntas obturadoras secundarias junto con juntas obturadoras en la celda de combustible, lo cual minimiza el esfuerzo ^^ mecánico y eléctrico en los bordes de la celda de combustible 20 electroquímicamente activa y conduce a una confiabilidad mejorada de la celda de combustible. Haciendo referencia a la Figura 1, se identifica una celda de combustible, en general, mediante el número de referencia 10. Sin embargo se entenderá que la invención 25 puede utilizarse junto con apilamientos de combustible que tengan una pluralidad de unidades de celda. Cada unidad de celda 11 incluye un montaje de electrodo de membrana (MEA) 12 compuesto de una membrana sólida conductora de iones que puede tener un ánodo 13 sobre un lado y un cátodo 14 sobre el otro lado de la membrana, cada uno formado por una capa de catalizador electroquímicamente activo, unida directamente al exterior de la membrana. El MEA 12 está interpuesto entre una primera capa para difusión de gas 15 y una segunda capa para difusión de gas 16. Alternativamente el ánodo y el cátodo pueden estar unidos o integrados en las capas para difusión de gas 15 y 16, y presionados contra la membrana. En las modalidades preferidas, el MEA incluye un ánodo 13 y cátodo 14 unidos debido a la mayor eficiencia de la celda de combustible que resulta de intimar el contacto de los electrodos con la membrana, comparado con un contacto por presión cuando los electrodos están montados sobre las capas para difusión de gas 15 y 16. Preferentemente, el MEA 12 se extiende cierta distancia mínima más allá de la periferia exterior de las capas para difusión de gas 15 y 16. Alternativamente el MEA puede terminar con los bordes de las capas para difusión de gas, con la condición de que cada borde esté sellado apropiadamente para prevenir la fuga de los reactivos alrededor del MEA. Las capas para difusión de gas 15 y 16 están interpuestas entre dos placas colectoras/separadoras 18 y 19 eléctricamente conductoras (placas colectoras) a las cuales se hace referencia comúnmente como placas bipolares cuando se usan dos o más celdas de combustible para formar una apilamiento de celdas de combustible. Las capas para la difusión de gas 15 y 16 se fabrican típicamente a partir de materiales porosos, eléctricamente conductores, tales como papel de fibra de carbón/grafito o a partir de tela de carbón/grafito. Cuando dos o más celdas de combustible forman un apilamiento de celdas de combustible, las placas colectoras 18 y 19 se proporcionan para separar el cátodo de una unidad de celda 11 del ánodo de las unidades de celdas adjuntas (no mostradas) . En la modalidad preferida de la invención, la celda de combustible 10 es una celda de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) . Dado que celdas de combustible del tipo PEM individuales producen menos de 1 voltio a carga completa, las celdas de combustible del tipo PEM, prácticas, apilan varias celdas individuales, tales como la unidad de celda 11 en serie, para conseguir el nivel de voltaje deseado, conectando eléctricamente el cátodo de una celda al ánodo de una celda adyacente (no mostrada) . Las placas colectoras 18 y 19 son eléctricamente conductoras. En la modalidad preferida de la invención, las placas colectoras 18 y 19 se forman a partir de materiales compuestos poliméricos eléctricamente conductores, rellenando un polímero con una pluralidad de partículas conductoras, tales como grafito. Las placas colectoras 18 y 19 pueden ser diseñadas para que tengan un espectro de permeabilidades al agua, desde altamente permeables hasta esencialmente 5 impermeables. En algunas aplicaciones puede ser deseable • disponer de placas colectoras permeables al agua. Por ejemplo, las placas colectoras permeables al agua pueden proporcionar vapor de agua a la celda de combustible para la humidificación de la membrana. Sin embargo, durante el 10 funcionamiento de la celda de combustible, las placas colectoras permeables al agua almacenan cantidades ^ significativas de agua. En aplicaciones de celdas de combustible, a temperaturas por debajo del punto de congelación del agua, se requieren generalmente placas 15 colectoras 18 y 19 impermeables al agua, para evitar el daño a las placas colectoras 18 y 19 debido a las fuerzas de expansión ejercidas por el agua congelada contenida en las mismas. Por consiguiente, en la modalidad preferida de la invención, las placas colectoras 18 y 19 seleccionadas son 20 esencialmente impermeables al agua. Como mínimo las superficies de los canales son impermeables al agua mientras que el resto de las placas colectoras pueden ser permeables al agua . La reacción electroquímica en el cátodo 14 que 25 forma agua, es altamente exotérmica. Consecuentemente, para las celdas de combustible se requiere generalmente un sistema de enfriamiento. Comúnmente se usa agua desionizada para enfriar celdas de combustible y también para mantener la hidratación de la membrana ( "humidificación" ) , lo cual se requiere, según se conoce en la técnica, para conseguir un transporte iónico eficiente a través de la membrana. Aunque este arreglo es bastante satisfactorio en la mayoría de la aplicaciones de celdas de combustible, en aplicaciones en donde la temperatura puede alcanzar temperaturas de congelación (de O'C o inferiores, a una atmósfera de presión) , no se puede usar agua pura como un refrigerante debido a que si el agua se congela la celda de combustible se dañará o destruirá debido a la expansión asociada del agua durante su cambio de fase a la forma sólida. La humidificación de la membrana, si se requiere, debe también rediseñarse para evitar el agua congelada en la celda de combustible 11. Si se requiere humidificación la invención separa los sistemas de humidificación y de refrigerante. La separación de la humidificación y del enfriamiento permite el uso de refrigerantes diferentes al agua pura. Esto es importante dado que el fluido de refrigerante en una celda de combustible tolerante a la congelación no puede ser agua pura dado que el agua se congela a O'C a la presión de una atmósfera. La humidificación de la membrana puede derivarse a partir de una fuente externa al apilamiento de las celdas de combustible, tal como mediante la humidificación de gases reactivos entrantes mediante el uso de nebulizadores o burbujeadores. En situaciones en donde se usan procesadores de combustible, para producir combustible de hidrógeno, el ánodo puede no requerir de humidificación, debido a la humedad producida como un subproducto del proceso de reformación. Un circuito de enfriamiento 25, dedicado, tiene un campo de flujo de refrigerante a través y entre las placas colectoras, el cual forma una capa de enfriamiento adyacente a la celda de combustible 11. El sellador 32 eléctricamente conductor se adhiere a la placa colectora superior y a la placa colectora inferior. El refrigerante fluye tanto verticalmente a través del conducto como lateralmente a través de la capa de enfriamiento, para disipar el calor uniformemente a través del área superficial de las placas colectoras de las celdas de combustible adyacentes 11. Se proporciona un conducto de regreso de refrigerante pero no se muestra. El circuito de enfriamiento 25 no proporciona humidificación a la celda de combustible 11. Adicionalmente, el circuito de enfriamiento 25 está aislado de la membrana por una distancia mínima "A" . Dependiendo del intervalo de temperatura de funcionamiento, anticipado, la celda de combustible 11 estará sometida a refrigerantes diferentes al agua pura que se necesiten como refrigerantes para la celda de combustible 11. Dado que el agua se congela cerca de O'C a una presión de una atmósfera, el agua pura no es un refrigerante viable para aplicaciones en celdas de combustibles a temperaturas inferiores a O'C. El sistema refrigerante se sella mecánicamente durante la fabricación, de manera tal que el fluido refrigerante se aisle de la membrana. La distancia "A" se selecciona para evitar que el refrigerante haga contacto con la membrana y se basa en la integridad del sello total de la celda de combustible. En la modalidad preferida de la invención, la distancia "A" es al menos de aproximadamente 0.254 centímetros (0.1 pulgada). La integridad del sello es principalmente una función del tipo de material seleccionado para la junta obturadora. Muchos refrigerantes diferentes al agua pura contaminarán la celda de combustibles y se permite que hagan contacto con la membrana, tocando los sitios del catalizador. Por ejemplo, se sabe que los hidrocarburos ocupan los sitios del catalizador. Como se usa en toda la descripción, a estos refrigerantes contaminantes se hace referencia como "venenosos" . Refrigerantes venenosos se refiere a todos los refrigerantes que no sean agua pura, que puedan adherirse al catalizador si se les deja en contacto con los electrodos MEA o que de otra manera interfieren con la reacción electroquímica de la celda de combustible. En una modalidad alternativa de la celda de combustible tolerante a la congelación, el conducto para el refrigerante no es parte de la placa colectora. Por ejemplo, el refrigerante puede hacerse fluir a través de un distribuidor externo que se encuentre fuera de la periferia de las placas colectoras de la celda de combustible. Todavía en otra modalidad de la celda de combustible, canales para refrigerantes se colocan sobre la periferia de las placas colectoras en áreas removidas del área activa de la celda de combustible. En ambas modalidades alternativas el refrigerante no pasa entre la región que se encuentra entre placas colectoras adyacentes. Refrigerantes diferentes al agua pura, que tengan un punto de congelación suficientemente por debajo de O'C para satisfacer la temperatura de funcionamiento mínima esperada de la celda de combustible 11 serán en general útiles para celdas de combustible tolerantes al congelamiento. Los refrigerantes apropiados posibles incluyen: a) etilenglicol solo, con cualquier porcentaje de otros refrigerantes incluyendo agua y/o lubricantes, con la condición de que el punto de congelación de la solución sea lo suficientemente bajo para su aplicación pretendida. b) propilenglicol solo, con cualquier porcentaje de otros refrigerantes incluyendo agua y/o lubricantes, con la condición de que el punto de congelación de la solución sea lo suficientemente bajo para su aplicación pretendida. c) otros alcoholes con puntos de congelación y puntos de ebullición similares a los del propilenglicol y etilenglicol, tales como el metanol, con cualquier porcentaje de otros refrigerantes incluyendo el agua y/o lubricantes, con la condición de que el punto de congelación de la solución sea lo suficientemente bajo para su aplicación pretendida; y d) gases bajo condiciones de operación anticipadas, tales como el nitrógeno e hidrógeno. El nivel máximo permisible de ionización del refrigerante depende del diseño del circuito de enfriamiento 25. Si el circuito de enfriamiento 25 está diseñado para estar eléctricamente aislado de las placas colectoras 18 y 19, se pueden usar refrigerantes iónicos, sin embargo, si el circuito de enfriamiento 25 no está diseñado para estar aislado eléctricamente de las placas colectoras 18 y .19, el nivel de ionización del refrigerante debe de ser limitado para evitar conectar eléctricamente en placas colectoras cercanas 18 y 19 (no mostradas) a través del líquido que fluye a través del circuito de enfriamiento 25. Si las placas colectoras cercanas 18 y 19 (no mostradas) se encuentran a potenciales eléctricos diferentes y están eléctricamente acopladas a través de un circuito de enfriamiento 25 que usa un material refrigerante conductor, la corriente fluirá entre las placas colectoras cercanas 18 y 19 (no mostradas) a través del refrigerante conductor. En la modalidad preferida de la invención, el circuito de enfriamiento 25 no está aislado eléctricamente de las placas colectoras 18 y 19 debido a que la placa de refrigerante y el deseño de campo de flujo es mucho más complejo y caro si el circuito de enfriamiento está diseñado para estar aislado eléctricamente de las placas colectoras 18 y 19. El aislamiento del refrigerante puede proporcionarse a través de un arreglo de junta obturadora. El borde exterior del MEA 12 está interpuesto entre una primera junta obturadora y una segunda junta obturadora 21. Las juntas obturadoras 20 y 21 están colocadas preferentemente a fin de no traslaparse con las capas 15 y 16 para la difusión de gases. Las juntas obturadoras 20 y 21 pueden estar hechas de materiales poliméricos tales como hule EPDM (también conocido como hule EP) , hidrocarburo fluorado, hule de butilo, fluorosilicona, polisiloxano, elastómeros termoplásticos tales como mezclas que contengan polipropileno y hule EP, y/u otros materiales similares. Una región interfacial 22 se forma entre las capas 15 y 16 para difusión de gases y las juntas obturadoras 20 y 21. La membrana, en la región interfacial 22 o cerca de la misma, está sujeta tanto a un esfuerzo mecánico como eléctrico intensificados con relación a las otras porciones de la membrana activa. Si un espacio entre las capas 15 y 16 para difusión de gases y las juntas obturadoras 20 y 21 resulta durante la fabricación de la celda de combustible 11, por ejemplo debido a tolerancias, la membrana en la región interfacial 22 no estará soportada y tenderá a combarse o contraerse. El alabeo o contracción puede producir el resultado indeseable de una ruptura que podría permitir que los reactivos fluyan desde un campo de flujo hacia otro campo de flujo. La magnitud del esfuerzo mecánico en la región interfacial 22 puede ser reducida dividiendo efectivamente la región interfacial 22 en dos regiones. La región interfacial 22 puede ser dividida efectivamente desplazando la interfase superior entre la capa para difusión de gas 15 y la junta obturadora 20 y la interfase inferior entre la capa para difusión de gas 16 y la junta obturadora 21 durante la fabricación de la celda de combustible 11. También, durante la fabricación las capas para la difusión de gas 15 y 16 pueden topar hacia arriba contra las juntas obturadoras 20 y 21 y dar por resultado la compresión de la membrana en la región interfacial 22. En cada caso, la membrana es sometida a un esfuerzo mecánico adicional en la región interfacial y puede dar por resultado fallas tempranas en la celda de combustible 11.
Además, dado que los bordes de las placas conductoras paralelas generan, según se sabe, mayores flujos de campo eléctrico comparados con las porciones interiores de las placas conductoras, la membrana activa en la región interfacial 22 o cerca de la misma, experimentará mayores densidades de corriente en el funcionamiento de la celda de combustible 11 comparada con las porciones interiores. Este fenómeno intensifica el esfuerzo eléctrico a la membrana a la región interfacial, sin importar si se forma o no un espacio como en la figura 1 o si las capas para la difusión de gas 15 y 16 topan hacia arriba contra las juntas obturadoras 20 y 21. Inclusive una celda de combustible tolerante a la congelación, bien diseñada, requiere de procesos especiales de arranque, paro y humidificación, para minimizar el daño resultante de la formación de hielo del agua atrapada en la misma durante las condiciones de congelación. En la modalidad preferida de la invención, todos los aspectos operativos del sistema de celda de combustible tolerante a la congelación, tales como el control del flujo de los reactivos, la inspección y control de la temperatura, son controlados mediante una computadora central usando sistemas de control con retroalimentación. Haciendo referencia ahora a la figura 2, para iniciar el arranque del apilamiento 10 de celdas de combustible, el calor proveniente de la corriente de combustible puede suministrarse primero a la celda de combustible 10 por el procesador de combustible 60 a través de la entrada 62 del ánodo, con un mínimo contenido de agua durante el arranque, para minimizar la cantidad de hielo formado. Por ejemplo, un procesador de combustible autotérmico basado en oxidación parcial puede convertir hidrocarburos tales como el propano en una corriente de gas caliente. El porcentaje de hidrógeno en la corriente del reformado puede ser ajustado al nivel deseado, variando la relación de vapor a carbón, así como la relación estequiométrica de aire a combustible en el procesador de combustible 60. Un alto rendimiento de agua se consigue alimentando aire al procesador de combustible 60 a cantidades cercanas o que preferentemente excedan las cantidades requeridas para completar la combustión del combustible suministrado. La corriente de gas caliente producida por el procesador de combustible 60 se enfría después mediante el refrigerante que se encuentre en el ánodo 66, dando por resultado la condensación de agua que puede separarse en el separador 68 del ánodo y dirigirse hacia el tanque de agua de proceso 64. La combustión es usualmente un proceso muy rápido y el procesador de combustible 60 se opera en este modo hasta que se haya recolectado suficiente agua en el tanque de agua de proceso 64. El agua de proceso almacenada en el tanque de agua 64, se usará para la reformación de vapor y la humidificación del gas del cátodo cuando las temperaturas de operación en el sistema se eleven por encima del punto de congelación del agua. En situaciones de arranque, en donde el tanque de agua de proceso 64 contiene inicialmente hielo, el procesador de combustible 60 funcionará en un modo de combustión para producir una cantidad máxima de agua como se describió anteriormente y la corriente de gas caliente producida por el procesador de combustible 60 se puede usar para fundir el hielo en el tanque de agua de proceso 64, resistente a la congelación. Siguiendo cualesquiera de los procedimientos de arranque anteriores, el procesador de combustible 60 generará una corriente de reactivos caliente rica en hidrógeno, en el apilamiento 10 de celdas de combustible, con un mínimo contenido de humedad durante el arranque. Una corriente de reactivos calientes ayudará también a descongelar los diferentes componentes del apilamiento de combustible. La humidificación deberá ser retardada hasta que las temperaturas de apilamiento estén por arriba de la congelación del agua. Durante las etapas iniciales del arranque, se alimenta aire seco presurizado al cátodo 70 sin humidificación. El aire seco presurizado se calienta típicamente hasta una temperatura que se encuentre en el intervalo de 90 a 100 "C mediante la presurización a 2.10 kg/cm2 (30 psig) cuando la temperatura del aire ambiente se encuentra en el intervalo desde aproximadamente -10 hasta -20 'C. El aire caliente del cátodo ayudará también a derretir la membrana y otros componentes apilados que estén expuestos a las condiciones de congelación. Una vez que el hidrógeno del procesador de combustible 60 se encuentre disponible para la generación de energía, el apílamiento de celdas de combustible 10 se hará funcionar en un modo de bajo voltaje/alta densidad de corriente, para maximizar la generación de calor. El calor generado se usará para elevar la temperatura del apilamiento 10 y del refrigerante. Cuando la temperatura del apilamiento 10 se incrementa, el apilamiento se hará funcionar para que comience a producir mayores voltajes. De esta manera, el sistema puede hacerse pasar hasta su modo más eficiente de generación de energía eléctrica, cuando se incremente la temperatura del apilamiento 10 de celdas de combustible. La humidificación del aire del cátodo puede comenzarse después de que el apilamiento 10 y la temperatura del refrigerante esté muy por arriba de la temperatura de congelación. Opcionalmente, la humidificación del ánodo se puede comenzar al mismo tiempo. En una modalidad alternativa del sistema de celdas de combustible tolerante a la congelación, el procesador de combustible mostrado en la figura 2 se reemplaza por una fuente de hidrógeno esencialmente puro. El hidrógeno se suministra al ánodo de la celda de combustible junto con una celda de combustible junto con una fuente de oxígeno al cátodo de la celda de combustible, para generar calor inmediatamente. El calor generado eleva la temperatura del refrigerante tolerante a la congelación. Si el tanque de agua contiene hielo, el refrigerante tolerante a la congelación, caliente, se hace circular a través del tanque de agua para fundir el hielo que se encuentre en el tanque de agua. Una vez que la temperatura del apilamiento se eleva por arriba del punto de congelación del agua, puede empezarse la humidificación de las líneas de reactivos. También se requiere de un método para parar el funcionamiento de la celda de combustible tolerante a la congelación, para evitar la formación de hielo dentro del sistema de celdas de combustible al parar el funcionamiento. En el caso de un paro del sistema, el principal objetivo es eliminar la mayor cantidad de agua que se encuentre dentro del apilamiento de celdas de combustible y de los componentes del sistema, tan rápido como sea posible. Se requieren tres etapas para eliminar el agua del sistema. La primera, la temperatura del sistema debe reducirse para condensar el vapor de agua que se encuentre dentro del sistema. La temperatura se puede reducir más rápidamente haciendo fluir un refrigerante a través del circuito de enfriamiento, el enfriamiento del sistema permite que el agua contenida en la fase de vapor en la celda de combustible se condense. Una vez que el agua se encuentra en una fase líquida puede separarse fácilmente de las corrientes gaseosas y drenarse hacia el tanque de almacenamiento 64, resistente a la congelación. Segunda, el apilamiento 10 de celdas y de combustible y las líneas para reactivos del sistema deben purgarse completamente con gases no humidificados, usando ya sea un sistema de purga a bordo o complementario. Finalmente, todo el sistema debe regresarse a la presión ambiental. Siguiendo este procedimiento de tres etapas se reducirá significativamente la cantidad de agua condensada que permanecerá en la celda de combustible después del paro. Si se deja agua en la celda de combustible durante el paro, se expanderá con la congelación y puede causar daño a los componentes vitales de la celda de combustible, tales como el (los) separador (es) de agua del ánodo, separador (es) de agua del cátodo, apilamiento de celdas de combustible, tanque de almacenamiento de agua del procesador de combustible (cuando se use) y líneas para el suministro de reactivos. Un método similar para el paro del ánodo se describe posteriormente. Si se usa himidificación del ánodo, se detiene la humidificación del gas del ánodo. Las líneas 62 para gas del ánodo se purgan después con gas del ánodo, frío, seco. Esto purgará todo el gas del ánodo humidificado de los componentes de la celda de combustible y eliminará también la mayor parte de las gotas de agua líquida de los componentes del sistema 10 de celdas de combustible. Las pequeñas gotas de agua condensadas se separarán en el (los) separador (es) del ánodo y pueden ya sea drenarse hacia el tanque de almacenamiento 64 tolerante a la ^_ 5 congelación, o pueden purgarse completamente del sistema. Si se usa un tanque de almacenamiento de agua del proceso, el tanque de almacenamiento de agua de proceso deberá colocarse en el nivel más bajo posible, para permitir la alimentación por gravedad hacia el tanque de almacenamiento de agua. 10 A continuación se describe un método similar para el paro del procesador de combustible. La temperatura del ^ apilamiento de celdas de combustible se reduce hasta la temperatura ambiente. Se usa un enfriador/congelador para condensar el agua de la corriente del ánodo y transferir 15 calor al refrigerante. Esta agua se elimina de la corriente del ánodo mediante un separador 74 del ánodo. El agua separada puede ya sea drenarse a un tanque de almacenamiento 64 resistente a la congelación o puede purgarse completamente del sistema. El enfriador/congelador del ánodo, mantiene el 20 refrigerante del sistema, el cual se encuentra a la temperatura del apilamiento, circulando a través del mismo. La temperatura del apilamiento se reduce hasta la temperatura ambiente, de manera tal que la temperatura del gas del ánodo puede enfriarse también hasta cerca de la temperatura 25 ambiente.
Un método similar para el paro del funcionamiento del cátodo se describe a continuación. El paro del cátodo deberá iniciarse al mismo tiempo que el paro del ánodo. Se finaliza la humidificación del gas del cátodo. El sistema del cátodo se purga después con gas seco del cátodo. La temperatura y presión del compresor se reducen hasta casi las condiciones ambientales. Toda el agua líquida se separa en (los) separador (es) del cátodo y pueden ya sea drenarse hacia el tanque de almacenamiento de agua 64, resistente a la congelación, o puede purgarse completamente del sistema. A continuación se describe un método similar para el paro del funcionamiento del circuito de enfriamiento. El arreglo del sistema deberá ser tal que el tanque 76 de almacenamiento de refrigerante esté ubicado en el punto más bajo del sistema. Esto permite que el refrigerante drene por gravedad de regreso hacia el tanque 76 de almacenamiento de refrigerante. Al mismo tiempo que el refrigerante se alimenta por gravedad al tanque de almacenamiento de refrigerante, el sistema completa la purga de reactivos secos. Finalmente, la bomba de refrigerante se apaga. Como una mejora a los procesos de paro, el apilamiento 10 de las celdas de combustible se hace funcionar en un modo que produzca corriente a través del apilamiento, suficiente para generar grandes cantidades de calor, a la vez que suministre reactivos secos a la celda de combustible.
Esta condición maximiza la tasa de evaporación de agua dentro del apilamiento 10 de celdas de combustible y dará por resultado un menor tiempo de paro. Los procedimientos de arranque y paro descritos, incluyen ciertos número de etapas que pueden llevarse a cabo en órdenes diferentes y que pueden comenzarse también simultáneamente . Haciendo referencia a la figura 3, en una mejora adicional al proceso de paro, se muestra una modalidad preferida de la celda de combustible, que tiene canales discontinuos interdigitados, en las placas colectoras 18 y 19. El campo de flujo del canal 26 de entrada del ánodo, del canal 28 de entrada del cátodo, del canal 27 de salida del ánodo y del canal 29 de salida del cátodo, están separados para forzar así los flujos a través de las capas para difusión de gas. Los canales mostrados tienen esquinas redondeadas . La interdigitación y las esquinas redondeadas de los campos de flujo no necesitan combinarse para producir mejoras en la celda de combustible, para aplicaciones tolerantes a la congelación. Una configuración interdigitada de los campos de 'flujo ayuda a limitar la cantidad de agua atrapada dentro de las capas para difusión de gas 15 y 16, y acelera la purga del agua hacia afuera de las capas para difusión de gas 15 y 16 durante el paro de la celda de combustible durante condiciones de congelación. Además las paredes de los canales que forman el campo de flujo, pueden ser ahusadas ligeramente y las esquinas pueden ser redondeadas, para permitir espacio para que el agua se expanda al congelarse y minimizar el daño a la celda de combustible 11 durante las condiciones de congelación. La figura 4 adiciona un par de juntas obturadoras secundarias 23 y 24 a la celda de combustible empaquetada del Solicitante como se muestra en la figura 1. Las juntas obturadoras secundarias 23 y 24 están colocadas entre la primera y segunda juntas obturadoras 20 y 21 y se extienden hacia una posición entre las capas para difusión de gas 15 y 16 y la membrana sobre el extremo distal de la región en donde las capas para difusión de gas se traslapan con la membrana. Las juntas obturadoras secundarias 23 y 24 proporcionan soporte adicional para la celda de combustible en el área interfacial, reduciendo el esfuerzo mecánico sobre el área en la región interfacial 22 o cerca de la misma. Además, la conducción mejorada en los bordes, a través de la membrana en la interfase 22 se elimina desplazando el borde efectivo de la membrana activa hacia el extremo distal de las juntas obturadoras secundarias 23 y 24. De esta manera, el uso de juntas obturadoras secundarias 23 y 24 da por resultado una confiabilidad mejorada para la celda de combustible. En la modalidad preferida de esta invención, las juntas obturadoras secundarias 23 y 24 están hechas de materiales resistentes a ácidos fuertes, tales como FEP, TFE, ETFE, PFA, CTFE, E-CTFE, PVF2 y PVF y tienen un espesor de aproximadamente 1/10 el espesor de las juntas obturadoras secundarias 20 y 21. Un circuito de enfriamiento análogo al circuito de enfriamiento 25 mostrado en la figura 1 puede pasar a través de las juntas obturadoras 20 y 21 así como a través de las juntas obturadoras secundarias 23 y 24. Como se analizó anteriormente, las juntas obturadoras secundarias 23 y 24 reducen el esfuerzo mecánico y eléctrico cerca del borde de la membrana activa, en la región interfacial 22. Las juntas obturadoras secundarias 23 y 24 no necesitan extenderse para quedar limítrofes sobre el lado opuesto de la membrana activa con el borde de las juntas obturadoras principales 20 y 21. En la modalidad preferida de la invención, las juntas obturadoras secundarias 23 y 24 son limítrofes sobre el lado opuesto de la membrana activa, con el borde de las juntas obturadoras principales 20 y 21, debido a la facilidad de fabricación aunado con el costo relativamente bajo del material de las juntas obturadoras secundarias 23 y 24 comparado con el costo agregado por mano de obra para construir juntas obturadoras secundarias 23 y 24, comparativamente cortas, que no se extiendan significativamente hacia afuera de la región de la membrana activa.
Aunque se han ilustrado y descrito las modalidades preferidas de la invención, estará claro que la invención no está limitada en esa forma. Numerosas modificaciones, cambios, variaciones, sustituciones y equivalentes, se les ocurrirán a los experimentados en la técnica, sin apartarse del espíritu y alcance de la presente invención, como se describe en las reivindicaciones.

Claims (45)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de celdas de combustible tolerante a la congelación, que comprende al menos una celda de combustible, la al menos una celda de combustible está caracterizada porque comprende: un par de placas colectoras que tienen una serie de canales para el flujo de reactivos desde orificios formados a través de las placas colectoras, los canales para reactivos son discontinuos; una primera y una segunda capa para difusión de gas, colocadas entre las placas colectoras; y, un montaje de electrodo de membrana
(MEA) que incluye una membrana intercalada entre dos capas de electrodo, el MEA está interpuesto entre las capas para difusión de gas, se proporciona una junta obturadora para prevenir substancialmente la transferencia de los gases reactivos alrededor del MEA; el sistema de celdas de combustible comprende además al menos un conducto para refrigerante para hacer fluir una corriente de refrigerante, con relación a las placas colectoras, para enfriar la celda de combustible y en donde la corriente de refrigerante no hace contacto con el MEA. 2. El sistema de celdas de combustible de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende un refrigerante que fluye en el conducto para refrigerante, y el refrigerante es venenoso para el MEA.
3. El sistema de celdas de combustible de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque las superficies del conducto para refrigerante, en contacto con el refrigerante, están aisladas eléctricamente.
4. El sistema de celdas de combustible de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el refrigerante es eléctricamente no conductor.
5. El sistema de celdas de combustible de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende un circuito de enfriamiento, y el al menos un conducto para refrigerante forma parte del circuito de enfriamiento.
6. El sistema de celdas de combustible de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el circuito de enfriamiento incluye una capa refrigerante externa a las placas colectoras.
7. El sistema de celdas de combustible de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque la capa refrigerante está adyacente a una de las placas colectoras .
8. El sistema de celdas de combustible de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el circuito de enfriamiento incluye canales para refrigerante en las placas colectoras, separados de los canales para .^ reactivos .
9. El sistema de celdas de combustible de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque las placas colectoras proporcionan orificios para refrigerante, separados, para la transferencia de refrigerante aparte de los flujos de reactivos y porque además comprende un par de juntas obturadoras que rodean los orificios para refrigerante y colocadas entre las placas colectoras.
10. El sistema de celdas de combustible de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el conducto para refrigerante está alojado en una estructura externa a la región conductora de las placas colectoras.
11. El sistema de celdas de combustible de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque el par de juntas obturadoras está separado de las capas para difusión de gas.
12. El sistema de celdas de combustible de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque al menos la membrana se extiende más allá de al menos una porción de la periferia de las capas para difusión de gas y el par de juntas obturadoras se traslapa con la membrana.
13. El sistema de celdas de combustible de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque además comprende un par de juntas obturadoras secundarias, cada junta obturadora secundaria está colocada entre las juntas obturadoras y se extiende hacia una posición entre las capas para difusión de gas y el MEA, por lo cual es soportada la membrana.
14. El sistema de celdas de combustible de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque las juntas obturadoras secundarias están hechas de un fluoropolímero.
15. El sistema de celdas de combustible de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado porque las juntas obturadoras secundarias están hechas de materiales del grupo que consiste de FEP, TFE, ETFE, PFA, CTFE, E-CTFE, PVF2 y PVF.
16. El sistema de celdas de combustible de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la celda de combustible es una celda de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) y la membrana de intercambio iónico es permeable al agua.
17. El sistema de celdas de combustible de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque los canales para reactivos son discontinuos, por lo cual el flujo de los gases reactivos se establece a través de las capas para difusión de gas.
18. El sistema de celdas de combustible de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque los canales para reactivos en cada placa colectora están dispuestos de manera tal que la dirección del flujo de reactivo en una capa para difusión de gas es opuesto a la dirección del flujo de reactivo en la capa para difusión de gas sobre el lado opuesto del MEA, por lo cual se establece un mayor gradiente de humedad para facilitar la transferencia del agua durante las operaciones de paro y purga.
19. El sistema de celdas de combustible de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque los canales para reactivos, en cada placa colectora, están dispuestos de manera tal que porciones relativamente secas del flujo de reactivo sobre un lado del MEA, se oponen a porciones relativamente húmedas del flujo de reactivo sobre el otro lado del MEA, por lo cual se establece un mayor gradiente de humedad para facilitar la transferencia de agua durante las operaciones de paro y purga.
20. El sistema de celdas de combustible de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque las superficies de los canales son esencialmente impermeables al agua.
21. El sistema de celdas de combustible de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado porque las superficies de los canales son esencialmente impermeables a todos los fluidos.
22. El sistema de celdas de combustible de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque las paredes de los canales son ahusadas y tienen esquinas redondeadas, por lo cual cualquier cantidad residual de agua en la celda de combustible, que se congele, puede expanderse libremente y evitar el daño a las placas colectoras.
23. El sistema de celdas de combustible de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque los canales para reactivos tienen salidas para reactivos, al menos una de las salidas está colocada por debajo de los canales, por lo cual la eliminación del agua es ayudada por la fuerza gravitacional.
24. El sistema de celdas de combustible de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende un depósito de agua colocado afuera del apilamiento, en donde los canales para reactivos tienen salidas para reactivos conectadas funcionalmente con el depósito de agua, para permitir que el agua de la celda de combustible drene hacia el depósito de agua.
25. El sistema de celdas de combustible de conformidad con la reivindicación 24, caracterizado porque el depósito de agua es tolerante a la congelación, e incluye al menos una entre una fuente de aislamiento o una de calentamiento .
26. El sistema de celdas de combustible de conformidad con la reivindicación 25, caracterizado porque la fuente de calentamiento es un calentador para el depósito.
27. El sistema de celdas de combustible de conformidad con la reivindicación 25, caracterizado porque la fuente de calentamiento es un procesador de combustible.
28. El sistema de celdas de combustible de 5 conformidad con la reivindicación 25, caracterizado porque la • fuente de calentamiento es la celda de combustible.
29. Un método para usar un sistema de celdas de combustible en ambientes sujetos a temperaturas por debajo del punto de congelación, el sistema de celdas de combustible 10 tiene al menos una celda de combustible, la celda de combustible incluye una membrana, un par de capas para difusión de gas, un par de electrodos, un par de placas • colectoras, al ^menos dos líneas para flujo de reactivos, caracterizado porque comprende las etapas de: crear al menos 15 un conducto para el flujo de refrigerante, con relación a la celda de combustible, a fin de evitar que el refrigerante haga contacto con la membrana, a la vez que enfríe la celda de combustible; hacer fluir una corriente de refrigerante venenoso para la membrana, a través de al menos un conducto, 20 por lo cual la corriente de refrigerante no hace contacto con la membrana, de manera tal que se puede usar un refrigerante que tenga un punto de congelación por debajo del punto de congelación del agua.
30. El método de conformidad con la 25 reivindicación 29, caracterizado porque el material refrigerante es un fluoropolímero.
31. Un método de paro de un sistema de celdas de combustible, en ambientes sujetos a temperaturas por debajo del punto de congelación, el sistema de celdas de combustible incluye al menos una celda de combustible que tiene una membrana, un par de capas para difusión de gas, un par de electrodos, un par de placas colectoras, y al menos dos líneas para flujo de reactivos, caracterizado porque comprende las etapas de: reducir activamente la temperatura del sistema de celdas de combustible, por lo cual el vapor de agua que se encuentra en la celda de combustible es condensado más rápidamente al compararse sólo con el enfriamiento a temperatura ambiente; eliminar el agua líquida y gaseosa, de la celda de combustible; purgar al menos una línea para gases reactivos, con un gas no humidificado; y reducir la presión del sistema hasta una presión aproximadamente igual a la presión atmosférica.
32. El método de conformidad con la reivindicación 31, caracterizado porque la etapa de eliminación de agua incluye la purga de la misma, del sistema.
33. El método de conformidad con la reivindicación 31, caracterizado porque la etapa de eliminación de agua incluye drenar el agua hacia un depósito de agua .
34. El método de conformidad con la reivindicación 31, caracterizado porque el paro comprende además la etapa de hacer trabajar el apilamiento de combustible en un modo que dé por resultado una salida de corriente de impulsos.
35. Un método de arranque de un sistema de celdas de combustible, en ambientes sujetos a temperaturas de congelación, el sistema de celdas de combustible incluye al menos una celda de combustible que tiene una membrana, un par de capas para difusión de gas, un par de electrodos, una par de placas colectoras, y al menos dos líneas para flujo de reactivos, caracterizado porque comprende las etapas de: hacer fluir gases reactivos secos a través de la al menos una línea para reactivos, hacia la celda de combustible; medir la temperatura de la celda de combustible; e, iniciar la humidificación de los gases reactivos después de que la temperatura de la celda de combustible esté por arriba de una temperatura predeterminada.
36. El método de conformidad con la reivindicación 35, caracterizado porque la temperatura predeterminada es el punto de congelación del agua a la presión ambiente.
37. El método de conformidad con la reivindicación 36,. caracterizado porque además comprende las etapas de: proporcionar un humidificador para humidificar los flujos de gases reactivos al apilamiento de celdas de combustible; proporcionar un depósito de agua para el suministro de agua para la humidificación de los flujos de gases reactivos; calentar el depósito para fundir el agua que 5 se encuentra en el depósito; fundir el agua en el depósito; • y, suministrar agua al humidificador para la humidificación de los flujos de gases.
38. El método de conformidad con la reivindicación 37, caracterizado porque las etapas de 10 calentamiento del depósito incluyen: operar un procesador de combustible en un modo rico en oxidante, para incrementar la ^F producción de calor; transferir una porción de la producción de calor hacia el depósito, para fundir el agua que se encuentra en el mismo; transferir una porción de la 15 producción de calor hacia la celda de combustible, para elevar la temperatura de la celda de combustible; inspeccionar la fusión del agua en el depósito y la temperatura de la celda de combustible; ajustar la mezcla de reacción en el procesador de combustible, para incrementar la ~^ 20 producción de combustible después de que al menos una porción del agua que se encuentra en el depósito se funda y que la temperatura de la celda de combustible haya alcanzado una temperatura predeterminada.
39. Un método para usar un apilamiento de celdas 25 de combustible (PEM) con membrana de intercambio de protones, con junta obturadora, en ambientes que se encuentran por debajo del punto de congelación, el apilamiento de celdas de combustible comprende una pluralidad de celdas de combustible cada una de las cuales tiene una membrana, un par de capas para difusión de gas, un par de electrodos, un par de placas colectoras y al menos un par de juntas obturadoras a temperaturas por debajo de la temperatura de congelación del agua, caracterizado porque comprende: crear al menos un conducto de flujo a través de los pares de placas colectoras y de los pares de juntas obturadoras de cada una de las celdas de combustible y no a través de la membrana; hacer fluir una corriente de refrigerante venenoso para la membrana, a través del al menos un conducto, por lo cual la corriente de refrigerante no haga contacto con la membrana; un procedimiento de arranque que incluye: hacer fluir los gases de reacción secos a través de las al menos dos líneas para reactivos, hacia la celda de combustible; medir la temperatura del apilamiento de combustible; e iniciar la humidificación de los gases reactivos después de que la temperatura de la celda de combustible se encuentre por arriba de una temperatura predeterminada; y, una etapa de paro que incluye: reducir la temperatura del sistema de celdas de combustible; purgar las líneas de gases reactivos con uno o más gases no humidificados; y reducir la presión del sistema hasta una presión aproximadamente igual a la presión atmosférica.
40. El método para usar un apilamiento de celdas de combustible con membrana de intercambio de protones (PEM) , empaquetada, de conformidad con la reivindicación 39, caracterizado porque la etapa de paro comprende además la etapa de poner a funcionar el apilamiento de combustible en un modo que dé por resultado una salida de corriente de impulsos .
41. Un apilamiento de celdas de combustible que comprende al menos una celda de combustible empaquetada, la al menos una celda de combustible empaquetada está caracterizada porque comprende: una primera y una segunda capas para difusión de gas, cada una de las cuales comprende una lámina de material eléctricamente conductor y un par de superficies planas orientadas en forma opuesta, en donde las capas para difusión de gas están colocadas aproximadamente paralelas una con respecto a otra; un montaje de electrodo de membrana (MEA) interpuesto entre las capas para difusión de gas, el MEA tiene un par de superficies planas opuestamente orientadas, una membrana de intercambio iónico y un par de electrodos interpuestos entre la membrana de intercambio iónico y las capas para difusión de gas, el MEA se extiende más alia de la longitud de las capas para difusión de gas; un par de juntas obturadoras, en donde el MEA está interpuesto entre los extremos distales de esas juntas obturadoras, las juntas obturadoras no se traslapan con las capas para difusión de gas, en donde se produce una región interfacial; las capas para difusión de gas, las juntas obturadoras y el MEA están todos interpuestos dentro de un par de placas colectoras; y, las placas colectoras proporcionan canales para corrientes de reactivos.
42. El apilamiento de celdas de combustible de conformidad con la reivindicación 41, caracterizado porque la celda de combustible es una celda de combustible con membrana de intercambio de protones (PEM) y la membrana de intercambio iónico es permeable al agua.
43. El apilamiento de celdas de combustible de conformidad con la reivindicación 42, caracterizado porque las superficies de esos canales son esencialmente impermeables a los fluidos.
44. El apilamiento de celdas de combustible de conformidad con la reivindicación 43, caracterizado porque además comprende un par de juntas obturadoras secundarias, cada junta cbturadora secundaria esta colocada entre las juntas obturadoras y se extiende hacia una posición entre las capas para difusión de gas y el MEA sobre el extremo distal de la región en donde las capas para difusión de gas se traslapan con el MEA, por lo cual se soporta la región interfacial de la membrana.
45. La celda de combustible de conformidad con la reivindicación 44, caracterizada porque las juntas obturadoras secundarias están hechas de materiales seleccionados del grupo que consiste de FEP, TFE, ETFE, PFA, CTFE, E-CTFE, PVF2 y PVF.
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