ES2213016T3 - Pila de combustible con sistema de refrigeracion basado en la inyeccion directa de agua liquida. - Google Patents
Pila de combustible con sistema de refrigeracion basado en la inyeccion directa de agua liquida.Info
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Abstract
Una batería de pilas de combustible de membrana polimérica alimentada con reactivos gaseosos, en donde dicha membrana separa un compartimiento anódico y un compartimiento catódico, que comprende placas bipolares, guarniciones opcionalmente provistas de canales para la entrada y la descarga de fluidos, electrodos porosos, capas catalíticas interpuestas entre las membranas y los electrodos, colectores para alimentar los flujos de los reactivos, colectores para la descarga de las fracciones no convertidas de los reactivos, de los inertes y del agua de producción, y al menos un punto de inyección que conecta un circuito hidráulico para la alimentación de agua al interior de al menos un compartimiento de las pilas, dicha alimentación de agua realiza simultáneamente la humidificación de las membranas y la eliminación del calor generado, caracterizada porque al menos un compartimiento de las pilas alimentado con los reactivos y el agua que viene desde el punto de inyección comprende un elemento reticulado eléctricamente conductivo interpuesto entre dichos electrodos y dichas placas bipolares, que distribuye dicho flujo de agua a través de todo el volumen ocupado por los reactivos gaseosos.
Description
Pila de combustible con sistema de refrigeración
basado en la inyección directa de agua líquida.
La presente invención es relativa a una pila de
combustible, y más precisamente a una pila de combustible que
utiliza una membrana polimérica como electrolito.
Las pilas de combustible son unos generadores
electroquímicos de energía eléctrica en forma de corriente
continua; en otras palabras, ellas transforman la energía libre de
reacción de un combustible (por ejemplo una mezcla gaseosa que
contiene hidrógeno, o un alcohol ligero como el metanol o el
etanol) con un oxidante (por ejemplo el aire o el oxígeno) sin
degradarla completamente en energía térmica, y por lo tanto sin
estar sometidas a las limitaciones del ciclo de Carnot. Para lograr
la conversión deseada de la energía química en energía eléctrica, el
combustible es oxidado al ánodo de la pila, con la contemporánea
liberación de electrones y de iones H^{+}, mientras que el
oxidante es reducido al cátodo, en donde los iones H^{+} son
consumados; los dos polos del generador deben estar separados por
un electrolito apropiado, que permita un flujo continuo de iones
H^{+} del ánodo al cátodo, impidiendo al mismo tiempo la
transmisión de electrones de un polo al otro, máximizando así la
diferencia de potencial eléctrico entre los dos electrodos. Esta
diferencia de potencial representa de hecho la fuerza motriz del
proceso mismo. Las pilas de combustible son consideradas como una
excelente alternativa a los sistemas tradicionales de generación
eléctrica; especialmente debido a su impacto extremadamente
favorable con el medio ambiente (ausencia de emisiones
contaminantes y de ruido, formación de agua como único
subproducto), ellas son utilizadas en el ámbito de la generación de
potencia estacionaria de diferentes tallas (centrales de potencia
eléctrica, generadores de reserva) así como en el ámbito de las
aplicaciones móviles (aplicaciones de vehículos eléctricos,
generación de energía automotriz o de energía auxiliar para
aplicaciones aerospaciales, submarinas y navales).
Las pilas de combustible de membrana polimérica
ofrecen, en comparación con otras pilas de combustible, ventajas
ulteriores, debido a su rápida puesta en marcha y al alcance
inmediato de las condiciones de marcha óptimas, a la alta densidad
de potencia, a la fiabilidad intrínseca asociada a la ausencia de
partes en movimiento así como a la ausencia de fenómenos de
corrosión y de ciclos térmicos severos; en efecto, entre todas las
pilas de combustible de la técnica anterior, las pilas de
combustible de membrana polimérica exhiben la menor temperatura de
funcionamiento global (normalmente, 70-100ºC).
El electrolito polimérico empleado a este fin es
una membrana de intercambio iónico, y más precisamente una membrana
de intercambio protónico, o sea un polímero químicamente inerte,
parcialmente funcionalizado con grupos aptos a sufrir una hidrólisis
ácido-base que lleva a una separación de carga
eléctrica; dicha hidrólisis consiste más precisamente en la
liberación de iones positivos (cationes) y en la formación de cargas
fijas negativas sobre el polímero del que la membrana está
constituida. Electrodos porosos están aplicados a la superficie de
la membrana, permitiendo a los reactivos fluir a través de ellos
hasta la interfaz de la membrana. Un catalizador está aplicado a
dicha interfaz del lado del electrodo y/o de la membrana, por
ejemplo tal como el negro de platino, que favorece la semireacción
correspondiente de oxidación del combustible o de reducción del
oxidante. Este arreglo provoca de tal manera el flujo continuo de
cationes al establecerse de un gradiente de potencial entre las dos
caras de la membrana y al simultáneo cerrarse del circuito
eléctrico externo; en este caso, siendo el ion H^{+} el catión
transportado como mencionado más arriba, la diferencia de potencial
generada alimentando una especie que tiene potencial electroquímico
inferior al ánodo, junto a una especie que tiene potencial
electroquímico superior al cátodo, comporta la conducción protónica
a través de la membrana, y el flujo de electrones (o sea la
corriente continua) a través del circuito externo, una vez que se
cierre este último.
La conducción protónica es una condición esencial
para el funcionamiento de una pila de combustible y es uno de los
parámetros decisivos para establecer su rendimiento. Una conducción
protónica insuficiente causa una caída sensible en la diferencia de
potencial entre los polos de la pila (caída del voltaje de celda)
al cerrarse el circuito eléctrico sobre la carga resistiva que
explota la electricidad producida. Este comporta, a su vez, una
degradación aumentada de la energía de reacción en energía térmica
y la consecuente disminución del rendimiento de conversión del
combustible.
Diferentes membranas de intercambio iónico, que
ofrecen características óptimas de conducción protónica, están
comercialmente disponibles y son largamente empleadas en las pilas
de combustible industriales, como por ejemplo aquellas
comercializadas bajo la marca Nafion® por DuPont de Nemours,
EE.UU., Gore Select® por Gore, EE.UU., Aciplex® por Asahi Chemicals,
Japón. Todas estas membranas están afectadas por una limitación de
proceso intrínseca asociada a su mecanismo de funcionamiento:
siendo la separación de carga eléctrica que habilita la conducción
protónica activada por un mecanismo de hidrólisis, dichas membranas
manifiestan su conductividad sólo en presencia de agua líquida.
Aunque la formación de agua sea una consecuencia intrínseca del
funcionamiento de una pila de combustible, su cantidad resulta casi
siempre insuficiente para mantener el correcto estado de
hidratación de la membrana, particularmente marchando a una densidad
de corriente suficientemente elevada.
El funcionamiento a alta densidad de corriente
comporta en efecto una disminución de los costos de inversión para
una determinada producción de potencia, pero también una
disminución del rendimiento energético y la generación de una mayor
cantidad de calor. La gran cantidad de calor generado en una pila
de combustible que funcione a una densidad de corriente de
utilización práctica (por ejemplo entre 150 y 1500 mA/cm^{2}) debe
ser extraída eficazmente para permitir la regulación térmica del
sistema, no sólo a causa de la limitada estabilidad térmica de la
membrana de intercambio iónico, normalmente inadecuada al
funcionamiento mas allá de 100ºC, sino también para reducir lo más
posible la evaporación del agua producida y su consecuente
extracción de la pila por medio del flujo de inertes y reactivos no
convertidos. Además, siendo el voltaje entre los polos de una pila
de combustible simple demasiado pequeño para permitir una
explotación práctica, dichas pilas están comúnmente conectadas en
serie eléctrica por medio de conexiones bipolares y ensambladas en
un arreglo de filtro-prensa alimentando los
reactivos en paralelo, como ilustrado en la patente US 3,012,086.
En un arreglo similar de pilas de combustible en batería,
corrientemente llamado "stack", el problema de la extracción
del calor es amplificado respecto al caso de una pila simple, en
donde es posible explotar la convección térmica a través de las
paredes externas. Por este motivo, todos los diseños de pila de
combustible de la técnica anterior prevén circuitos hidráulicos
adecuados para la extracción del calor por intercambio térmico con
un fluido en circulación; dicho fluido puede ser alimentado a través
de serpentinas formadas al interior de las placas bipolares o de
secciones apropiadas intercaladas entre pilas individuales en
conexión eléctrica con estas últimas; ambas soluciones complican más
la construcción de las baterías, incrementando pesos y volúmenes, y
disminuyendo de tal manera la densidad de potencia, un parámetro
del que la maximización es altamente deseada particularmente en el
caso de las aplicaciones móviles.
Una solución menos onerosa bajo este aspecto está
descrita en la petición de patente PCT no. WO 98/28809, en donde el
fluido refrigerante es circulado en una sección periférica de la
placa bipolar adyacente a la superficie activa de la pila; de todas
maneras, se obtiene así un perfil transversal de temperatura con la
región central de la membrana que funciona a una temperatura más
elevada que aquella de la región central, estableciendo de esta
manera un gradiente térmico potencialmente muy peligroso para la
integridad de la misma membrana.
Finalmente, no obstante la tasa de extracción del
calor requerida para regular la temperatura del sistema por debajo
de 100ºC parecería realizable aunque con dificultad, el drenaje de
agua concomitante en las baterías de pilas de combustible permanece
demasiado alto para que la sola agua de producción pueda mantener
un suficiente nivel de hidratación de las membranas; los diseños de
las baterías de la técnica anterior han introducido por consecuencia
un segundo sistema auxiliar, agregado al sistema de refrigeración,
dirigido a inyectar la cantidad adicional de agua necesaria en el
generador. Este circuito generalmente proporciona la humidificación
previa de los reactivos a la entrada de los compartimientos anódico
y catódico de las pilas de combustible, por ejemplo por borboteo en
el agua líquida o por difusión de vapor acuoso a través de membranas
adecuadas en celdas auxiliares. Este segundo circuito comporta
también un evidente aumento en términos de pesos, volúmenes y
costos de inversión; además, la cantidad de agua que debe ser
alimentada en el sistema debe estar estrictamente controlada ya que
un exceso de líquido en los compartimientos de la pila acarrearía
la consecuencia dramática de bloquear el acceso de los reactivos
gaseosos a la superficie de los electrodos. La única posibilidad de
lograr una regulación, aunque indirecta, del agua proporcionada al
sistema antes mencionado es de intervenir sobre la temperatura del
agua misma y de esta manera sobre su presión de vapor. Todo esto
lleva a su vez a la necesidad de regular térmicamente el sistema de
humidificación de las baterías de pilas de combustible, complicando
más el diseño constructivo.
Una solución más favorable para asegurar una
distribución adecuada al flujo de los reactivos está divulgada en
la Publicación de Patente Europea No. 316 626 en donde está
descrita la humidificación de dicho flujo por medio de la inyección
de agua atomizada a su interior, por ejemplo por medio de un
generador de aerosol de ultrasonidos. Esta solución mitiga en parte
la necesidad de refrigerar la batería con un circuito auxiliar de
intercambio de calor oneroso, porque una parte del agua alimentada
vaporiza adentro de la pila, extrayendo de tal manera una cantidad
de calor substancial. El sistema está de todas maneras afectado por
un defecto de base representado por la complejidad constructiva
asociada al generador de aerosol que, además de ser costoso, consuma
una parte de la producción de electricidad generada por las pilas
de combustible.
Además, el tiempo de permanencia del agua dentro
de la pila es demasiado breve como para asegurar al mismo tiempo la
humidificación de la membrana y la refrigeración de la batería sin
hacer recurso a circuitos auxiliares, especialmente a alta densidad
de corriente y en el caso de baterías que comprenden un número
elevado de pilas.
Asimismo, la humidificación de los reactivos o la
adición de agua atomizada antes de encaminar dichos reactivos al
colector de entrada puede causar un poco de condensación de agua o
de formación de gotitas, alimentando por consecuencia una cantidad
excesiva de agua a algunas pilas de la batería (típicamente las que
están más cerca de la entrada de los reactivos) y una cantidad
insuficiente a otras pilas (típicamente las que están más lejos de
la entrada de los reactivos).
La presente invención consiste en una batería de
pilas de combustible que comprenden un material reticulado
eléctricamente y térmicamente conductivo interpuesto entre la placa
bipolar y la superficie del electrodo, como descrito por ejemplo en
la patente US 5,482,792, en donde la humidificación de los
reactivos y el control térmico son obtenidos por medio de una
inyección directa por un circuito simple de un flujo de agua
adecuado que vaporiza parcialmente al interior del material
reticulado, beneficiando de su alta superficie y de su conductividad
térmica que permiten una extracción eficaz del calor desde los
electrodos.
En una forma de realización de la invención, el
punto de inyección del agua en el flujo gaseoso está puesto
corriente abajo del colector de entrada de los reactivos.
En otra forma de realización, dicho punto de
inyección está puesto en correspondencia de la periferia del
material reticulado, en zonas físicamente separadas de aquellas en
donde se alimentan los reactivos.
En otra forma de realización, el agua es
inyectada en correspondencia de depresiones formadas al interior
del material reticulado.
En otra forma de realización, el agua es
inyectada en correspondencia de depresiones en forma de serpentinas
provistas al interior del material reticulado y que cruzan la
superficie entera de este último.
En otras formas de realización, el agua es
inyectada en correspondencia de depresiones en forma de doble peine
alternado provistas al interior del material reticulado
La invención será descrita a continuación
refiriéndose a las figuras, en donde:
La fig. 1 muestra un esquema general de una
batería de pilas de combustible de membrana de la invención,
ensamblada según un arreglo de tipo
filtro-prensa.
La fig. 2A muestra un esquema general de una
batería de pilas de combustible de membrana de la técnica anterior,
ensamblada según un arreglo de tipo filtro-prensa;
la fig. 2B muestra una placa bipolar de la técnica anterior.
Las figs. 3, 4, 5 y 6 muestran tipos diferentes
de guarniciones para pilas de combustible.
Las figs. 7, 8, 9 y 10 muestran tipos diferentes
de elementos reticulados para la distribución de los fluidos y la
conexión entre las placas bipolares y los electrodos al interior de
las baterías de pilas de combustible.
Refiriéndose a la fig. 1, cada pila elemental
(1), que representa la unidad repetitiva del conjunto modular del
arreglo de tipo filtro-prensa, comprende, del
interior al exterior, una membrana de intercambio iónico (2), un
par de electrodos porosos (3), un par de capas catalíticas (4)
formadas a la interfaz entre la membrana (2) y cada cual de los
electrodos (3), un par de elementos reticulados eléctricamente
conductivos (5), un par de guarniciones (6) de estanqueidad
periférica, un par de placas bipolares (7) que delimitan el borde de
la pila elemental (1). Los elementos reticulados (5) tienen una
porosidad al menos del 50%, y ejecutan las funciones de conectar
eléctricamente las placas bipolares (7) a los electrodos (3), y de
distribuir los reactivos gaseosos y el agua de humidificación,
subdividiendo finamente esta última a través del entero espesor del
elemento reticulado (5), facilitando de tal manera la evaporación
al interior del volumen entero del compartimiento delimitado por la
placa bipolar (7) y el electrodo (3). Unas aberturas apropiadas en
la región periférica de las placas bipolares (7) y de las
guarniciones (6) forman, por superposición de los componentes arriba
mencionados, los dos colectores superiores (8), de los que sólo uno
está mostrado en la figura, que pueden ser utilizados para
alimentar los reactivos, y los dos colectores inferiores (9), que
pueden ser utilizados para descargar el agua de producción, los
inertes gaseosos y la porción no convertida de los reactivos, de
los que sólo uno está mostrado en la figura. Alternativamente, los
colectores inferiores (9) pueden ser empleados como canales de
alimentación y los colectores superiores (8) como canales de
descarga. Es también posible alimentar uno de los dos reactivos a
través de uno de los colectores superiores (8), utilizando el
colector inferior (9) correspondiente como salida, y al mismo
tiempo alimentando el otro reactivo a través del otro colector
inferior (9), utilizando el colector inferior correspondiente como
salida.
Al exterior de la pila elemental (1) ensamblada
en un arreglo de tipo filtro-prensa, hay dos placas
terminales (10), de las que una está provista de conectores para la
conexión hidráulica a los colectores (8) y (9), no representados en
la figura, las dos provistas de hoyos apropiados para los tirantes
empleados para sujetar la batería completa, también no representados
en la figura. Refiriéndose a las figuras 2A y 2B, cada pila
elemental (1'), que constituye la unidad repetitiva del ensamblaje
modular del arreglo de tipo filtro-prensa comprende,
del interior al exterior, una membrana de intercambio iónico (2'),
un par de electrodos porosos (3'), un par de capas catalíticas (4'),
un par de guarniciones planas de estanqueidad hidráulica (6'), un
par de placas bipolares (7') que delimitan el borde de la pila
elemental (1'). Las placas bipolares (7') tienen un perfil acanalado
(11), cuya parte en relieve proporciona la continuidad eléctrica a
través de la batería, en tanto que la parte cóncava permite la
circulación de los gases y del agua. Unas aberturas apropiadas en
la región periférica de las placas bipolares (7') forman, por
superposición de los componentes arriba mencionados, los dos
colectores superiores (8'), de los que sólo uno está mostrado en la
figura, que pueden ser utilizados para alimentar los reactivos, y
los dos colectores inferiores (9'), que pueden ser utilizados para
descargar el agua de producción, los inertes gaseosos y la porción
no convertida de los reactivos, de los que sólo uno está mostrado
en la figura. También en este caso es posible invertir la función de
los colectores inferiores y superiores.
Al exterior de la pila elemental (1'), ensamblada
según un arreglo de tipo filtro-prensa, hay dos
placas terminales (10'), de las que una está provista de conectores
para la conexión hidráulica a los colectores (8') y (9'), no
mostrados en la figura, los dos provistos de hoyos apropiados para
los tirantes que sujetan la batería completa, también no mostrados
en la figura.
Refiriéndose a las figs. 3, 4, 5 y 6, están
mostradas algunas formas de realización de guarniciones (6) que
comprenden un hoyo superior (12), que forma el colector superior
(8) por superposición en un arreglo de tipo
filtro-prensa, un hoyo inferior (13), que forma el
colector inferior (9) por superposición en un arreglo de tipo
filtro- prensa, el alojamiento (14) para el elemento reticulado (5)
y, eventualmente, uno o más canales para la inyección de agua
(15).
Refiriéndose a la fig. 7A, está mostrada una
forma de realización del elemento reticulado (5), constituido por
una lámina estirada aplanada de malla rombal; en figura 7B está
mostrada una red plana delgada de malla cuadrada.
Refiriéndose a las figs. 8, 9 y 10, están
mostradas algunas formas de realización de elementos reticulados,
constituidos por un material metálico deformable, tal como una
espuma metálica; en las formas de realización en las figuras 9 y 10,
unas depresiones (16), que actúan como canales preferenciales para
la inyección de agua, están formadas al interior de dicho material
metálico, por ejemplo por medio de un prensado en frío.
Dos baterías, una de 15 y la otra de 30 pilas
elementales (1) fueron producidas según el esquema en fig. 1, y
provistas de los siguientes componentes:
- -
- Membranas de intercambio iónico (2) Nafion® 115, comercializadas por DuPont de Nemours
- -
- Electrodos (3) comercializados por E-Tek, Inc., bajo la marca ELAT®, activados con una capa catalítica (4) hecha de partículas de platino soportado sobre carbón activo, con una superficie activa de 200 cm^{2}.
- -
- Elementos reticulados (5) hechos de espuma de níquel como mostrado en la fig. 8, con poros comprendidos entre 1 y 3 mm.
- -
- Guarniciones (6) según el esquema en la fig. 3.
- -
- Placas bipolares (7) hechas de una lámina de acero inoxidable espesa 2 mm.
- -
- Placas terminales de
aluminio (10), conectadas eléctricamente a las placas bipolares (7)
de las pilas externas, provistas de conectores de corriente
enchufados a una carga resistiva
\hbox{variable.}
Las baterías fueron conectadas, por medio de
conectores adecuados armados sobre una de las placas terminales
(10), a las alimentaciones de los reactivos gaseosos y a un
circuito externo en donde circulaba agua desmineralizada, regulada a
la temperatura requerida por medio de un intercambiador de calor. A
través de estas conexiones, las baterías fueron alimentadas con una
mezcla que contenía 70% de hidrógeno al polo negativo (ánodo) y con
aire al polo positivo (cátodo) por medio de los colectores
superiores (8) obtenidos por superposición en configuración de
filtro-prensa de los hoyos superiores (12) y de las
aberturas correspondientes (7) en las placas bipolares. Los mismos
colectores (8) fueron alimentados con un flujo de agua
desmineralizada desde el circuito correspondiente, cuyo caudal
estaba regulado como requerido, de acuerdo con las respuestas
dinámicas del sistema. Las baterías no estaban provistas de
refrigeración auxiliar alguna en adición a aquella proporcionada por
la evaporación de agua inyectada en los colectores (8).
Se hicieron funcionar las baterías durante 12
horas a una densidad de corriente de 300 mA/cm^{2}, regulando la
temperatura de las pilas a 70ºC, y controlando el voltaje de las
pilas individuales. El caudal de agua fue regulado manualmente hasta
maximizar el voltaje de las pilas individuales. Al final de esta
regulación manual, se determinó un voltaje comprendido entre 715 y
745 mV en cada pila de las dos baterías. En la batería de 30 pilas,
las pilas cuyos valores resultaban menores estaban estadísticamente
distribuidas más lejos de la placa terminal conectada a los
reactivos y a la entrada del agua (pilas traseras); después de la
primera hora de marcha, el voltaje de las pilas individuales tendía
a permanecer generalmente constante.
Se varió entonces la carga resistiva aplicada a
las placas terminales (10) para extraer una densidad de corriente
de 600 mA/cm^{2} de las dos baterías; la batería de 15 pilas se
quedó en condiciones de marcha estables, con los voltajes de las
pilas individuales comprendidos entre 600 y 670 mV, en donde los
valores menores estaban estadísticamente distribuidos entre las
pilas traseras; la batería de 30 pilas fue parada después de
alrededor de una hora, porque los voltajes mostrados por las pilas
traseras decrecían de manera continua, con toda probabilidad a
causa del sobrecalentamiento local.
Los mismos ensayos fueron repetidos atomizando el
agua con un generador de aerosol de ultrasonidos, antes de inyectar
la misma agua en los colectores superiores (8). En todos casos, no
se ha observado variación alguna en las prestaciones.
Ejemplo Comparativo
1
Una batería de 15 pilas de combustible fue
realizada según las indicaciones de la técnica anterior, siguiendo
el esquema de la fig. 2.
La batería fue provista de los siguientes
componentes:
- -
- Membranas de intercambio iónico (2') Nafion® 115, comercializadas por DuPont de Nemours
- -
- Electrodos (3') comercializados por E-Tek, Inc., bajo la marca ELAT®, activados con una capa catalítica (4') hecha de partículas de platino soportado sobre carbón activo, con una superficie activa de 200 cm^{2}.
- -
- Guarniciones de estanqueidad planas (6'), del mismo espesor que los electrodos (3').
- -
- Placas bipolares (7') hechas de una lámina de grafito acanalada de 5 mm de espesor.
- -
- Placas terminales de cobre (10'), conectadas eléctricamente a las placas bipolares (7') de las pilas externas, provistas de un conector de corriente enchufado a una carga resistiva variable.
Análogamente al Ejemplo anterior, la batería fue
conectada, por medio de conectores apropiados provistos sobre una
de las placas terminales (10'), al circuito de alimentación de los
reactivos gaseosos y a un circuito externo en donde circulaba agua
desmineralizada, regulada a la temperatura requerida por medio de
un intercambiador de calor. A través de estas conexiones, las
baterías fueron alimentadas con una mezcla que contenía 70% de
hidrógeno al polo negativo (ánodo) y con aire al polo positivo
(cátodo) por medio de los colectores superiores (8'); un flujo de
agua desmineralizada fue alimentado desde el circuito respectivo a
los mismos colectores (8'). Las baterías no estaban provistas de
refrigeración auxiliar además de aquella proporcionada por la
evaporación del agua inyectada en los colectores (8'). A pesar de
todos los tentativos para regular el caudal de agua, tal como
descrito en el ejemplo anterior, no se ha podido alcanzar una
densidad de corriente de 300 mA/cm^{2}, porque los voltajes de
algunas pilas, distribuidas al azar, tendían a decrecer en el tiempo
debido al sobrecalentamiento. Disminuyendo la densidad de
corriente, fue posible obtener una marcha estable a 70 mA/cm^{2};
a dicho valor, los voltajes de cada pila individual estaban
repartidos en un intervalo comprendido entre 800 y 550 mV; era
posible aumentar la densidad de corriente hasta 100 mA/cm^{2}
cuando el agua era atomizada con el generador de aerosol de
ultrasonidos del Ejemplo anterior, pero no se podía aumentar más la
producción de corriente. El resultado de estos ensayos ha indicado
una escasa uniformidad de la inyección de agua entre las diferentes
pilas de la batería y, al interior de cada pila, la distribución
irregular del agua al interior de la estructura acanalada; la
atomización del agua corriente arriba reduce un poco el problema,
sin tener la misma eficacia de la fragmentación fina a través del
entero volumen de la pila producida por el elemento reticulado del
Ejemplo anterior.
Las dos pilas del Ejemplo 1 fueron alimentadas
con los reactivos gaseosos y el agua a través de los colectores
inferiores (9), empleando los colectores superiores (8) para la
descarga. En estas condiciones, fue posible operar también la
batería de 30 pilas a 600 mA/cm^{2}, aunque los voltajes de las
cinco pilas terminales quedaran por debajo de 600 mV. A la misma
densidad de corriente, los voltajes de la batería de 15 pilas
estaban distribuidos en un intervalo comprendido entre 650 y 670
mV; aunque los valores máximos no estuvieran lejos de aquellos
relativos al ensayo anterior, en donde la inyección era realizada a
través de los colectores superiores, la repartición de los voltajes
de pila resultó mucho más homogénea. Esto se explica por el hecho
que cuando una pluralidad de pilas es alimentada en paralelo por un
colector puesto a un nivel superior, es posible que parte del agua
se separe en el fondo del mismo colector, cayendo sucesivamente en
la entrada del grupo de pilas que quedan más cerca del punto de
inyección del agua. En el caso de la inyección por el fondo, el agua
no cae adentro de las pilas, siendo más bien aspirada por el gas
entrante, proporcionando así un flujo más uniforme al interior de
cada pila individual.
Los ensayos de los Ejemplos 1 y 2 fueron
repetidos alimentando hidrógeno puro como combustible, cerrando el
colector de salida del lado anódico e inyectando agua sólo en el
colector de entrada del aire. En los dos casos se observó que las
prestaciones de la batería eran substancialmente las mismas que en
el caso anterior, siendo los pequeños incrementos detectados en los
voltajes de las pilas debidos al aumento de la fracción molar del
combustible. Además, se ha observado que en el caso del consumo
total de un combustible puro al ánodo (funcionamiento
dead-end) es suficiente humidificar nada más el
flujo del oxidante.
En este caso, la atomización del agua con el
generador de aerosol de ultrasonidos no ha producido algún efecto
positivo.
La batería de 30 pilas de los ejemplos anteriores
fue rotada 35º alrededor del eje principal, así que en cada una de
las guarniciones (6) alimentadas con aire, el hoyo inferior (13)
estaba posicionado al nivel mas bajo posible respecto a su posición
inicial. La batería fue entonces alimentada con aire desde el
colector inferior correspondiente (9), en donde se inyectó agua como
en los ejemplos anteriores. Se alimentó hidrógeno puro desde el
relativo colector inferior (9) a consumo total, sin humidificación
alguna y cerrando el relativo colector superior (8), según un modo
de funcionamiento dead-end.
Una batería de 45 pilas de combustible fue
realizada según el esquema en figura 1, provista de los componentes
siguientes:
- -
- Membranas de intercambio iónico (2), comercializadas por Gore, EE.UU., bajo la marca Gore Select® ,
- -
- Electrodos (3) comercializados por E-Tek, Inc., bajo la marca ELAT®, activados con una capa catalítica (4) hecha de partículas de platino soportado sobre carbón activo, con una superficie activa de 200 cm^{2}.
- -
- Elementos reticulados (5) hechos superponiendo una lámina estirada aplanada, como mostrado en la figura 7A, contra la placa bipolar (7), con una malla rombal de 3 mm de lado, y una red plana delgada contra el electrodo (3), como mostrado en la fig. 7B, con una malla cuadrada de 1 mm de lado; la lámina estirada y la red plana estaban hechas de acero inoxidable AISI 316 L
- -
- Guarniciones (6) según el esquema en la fig. 4
- -
- Placas bipolares (7) hechas de una lámina de acero inoxidable espesa 2 mm.
- -
- Placas terminales de aluminio (10), conectadas eléctricamente a las placas bipolares (7) de las pilas externas, provistas de conectores de corriente enchufados a una carga resistiva variable.
La batería fue conectada, por medio de conectores
adecuados armados sobre una de las placas terminales (10), al
circuito de alimentación en donde circulaba agua desmineralizada,
regulada a la temperatura requerida por medio de un intercambiador
de calor. A través de estas conexiones, las baterías fueron
alimentadas con hidrógeno puro al polo negativo (ánodo) y con aire
al polo positivo (cátodo) por medio de los colectores inferiores
(9) obtenidos superponiendo los hoyos inferiores (13) y las
aberturas correspondientes en las placas bipolares (7) en
configuración de filtro-prensa. Un flujo de agua
desmineralizada, cuyo caudal estaba regulado como requerido, de
acuerdo con las respuestas dinámicas del sistema, fue alimentado
desde el circuito relativo a los canales de inyección (15). La
batería no estaba provista de refrigeración auxiliar alguna en
adición a aquella proporcionada por la evaporación del agua
alimentada a los canales de inyección (15).
Se hizo funcionar la batería durante 12 horas a
una densidad de corriente de 700 mA/cm^{2}, regulando la
temperatura de las pilas a 75ºC, y controlando el voltaje de las
pilas individuales. El caudal de agua fue regulado manualmente
hasta maximizar el voltaje de las pilas individuales. Al final de
esta regulación manual, todas las pilas de la batería mostraron un
voltaje comprendido entre 680 y 700 mV, que permaneció estable en
el tiempo. Este ensayo permitió averiguar que, respecto al tipo de
guarniciones empleado en los ejemplos anteriores, que determinaba la
mezcla del gas y del agua en el colector de entrada, el empleo de
la guarnición mostrada en la fig. 4, en donde la mezcla de los dos
fluidos tiene lugar en un canal más pequeño, corriente abajo del
colector de entrada, es más favorable.
Se ha también averiguado en este caso que la
atomización del agua inyectada en un flujo de aire introducido en
los canales (15) no presenta algún efecto positivo.
Una batería de 45 pilas de combustible fue
realizada análogamente a aquella del ejemplo anterior con la sola
excepción de las guarniciones, que correspondían a las de la fig. 5.
Este tipo de diseño proporciona una alimentación separada de las
corrientes de gas y de agua, que no se mezclan antes de la
introducción dentro del elemento reticulado (5), asegurando una
distribución de agua aun más uniforme en las pilas individuales.
Esta batería, operada a 700 mA/cm^{2} en las mismas condiciones
del Ejemplo 5, ha mostrado valores de voltaje de pila comprendidos
entre 700 y 715 mV.
Una batería de 45 pilas de combustible fue
realizada análogamente a aquella del ejemplo anterior con la sola
excepción de las guarniciones, que correspondían a las de la fig. 6,
y del elemento reticulado (5), hecho de una espuma de níquel
similar a la del Ejemplo 1. La batería fue conectada de manera que
los reactivos fueran alimentados a través de los colectores
superiores (8) y descargados a través de los colectores inferiores
(9). Con este diseño de guarniciones, las corrientes de gas y de
agua inyectadas, además de estar separadas hasta la introducción
dentro del elemento reticulado (5), son mezcladas en direcciones
recíprocamente ortogonales. En este caso, para asegurar una
humidificación suficiente de la región superior del elemento
reticulado, el flujo de agua fue repartido para que entrara
principalmente en los canales (15), y en medida menor en los
colectores superiores (8) utilizados para alimentar las pilas. La
porción de agua inyectada en los canales (15) fue fijada alrededor
del 90% del total, y en todos casos nunca por debajo del 80%. Esta
batería, operada a 700 mA/cm^{2} en las mismas condiciones de los
Ejemplos 5 y 6, ha mostrado valores de voltaje de pila comprendidos
entre 710 y 730 mV.
Una batería de 45 pilas de combustible fue
realizada análogamente a aquella del ejemplo 6 con la sola
excepción del elemento reticulado (5), hecho de una espuma de níquel
como mostrado en la fig. 9. En este caso, la deformabilidad de la
espuma metálica fue explotada para producir dos pequeños canales o
depresiones (16) para la distribución preferencial del agua en
dirección substancialmente paralela con respecto al flujo de gas,
dichos canales siendo en forma de serpentinas que atravesaban la
superficie entera de la espuma. Para formar las depresiones (16) es
suficiente prensar en frío un alambre metálico con el espesor
requerido dentro de la espuma metálica. En el caso presente, se han
obtenido serpentinas de 3 mm de ancho prensando en frío un alambre
de acero del mismo espesor. Es evidentemente posible formar una
serpentina simple (16) para ser alimentada de un canal simple (15),
pero también más de dos serpentinas. Esta batería, operada a 700
mA/cm^{2} en las mismas condiciones de los Ejemplos 5, 6 y 7, ha
mostrado valores de voltaje de pila comprendidos entre 715 y 730
mV.
Una batería de 45 pilas de combustible fue
realizada análogamente a aquella del ejemplo 7 con la sola
excepción de las guarniciones, que correspondían a las de la fig. 6,
y del elemento reticulado (5), hecho de la espuma de níquel
representada en la fig. 10. También en este caso, la deformabilidad
de la espuma metálica fue explotada para producir dos pequeños
canales para la distribución preferencial del agua; en este caso,
sin embargo, se ha escogido una geometría de doble peine alternado
para crear una serie de conductos paralelos que fueron alimentados
con agua en dirección sustancialmente ortogonal con respecto a la
dirección del flujo de gas. Esto aumenta la caída de presión total
al interior del elemento reticulado (5) y obliga los reactivos
gaseosos a seguir caminos más tortuosos, distribuyendo la misma
caída sobre la superficie entera de la pila previniendo las zonas de
estancación o de depleción. Esta batería, operada a 700 mA/cm^{2}
en las mismas condiciones de los Ejemplos 5, 6 y 7, ha mostrado
valores de voltaje de pila comprendidos entre 730 y 740 mV.
Aunque la invención fue descrita refiriéndose a
formas de realización específicas, estas últimas no entienden
limitar la invención, cuyo alcance es definido por las
reivindicaciones anexas.
Claims (20)
1. Una batería de pilas de combustible de
membrana polimérica alimentada con reactivos gaseosos, en donde
dicha membrana separa un compartimiento anódico y un compartimiento
catódico, que comprende placas bipolares, guarniciones
opcionalmente provistas de canales para la entrada y la descarga de
fluidos, electrodos porosos, capas catalíticas interpuestas entre
las membranas y los electrodos, colectores para alimentar los
flujos de los reactivos, colectores para la descarga de las
fracciones no convertidas de los reactivos, de los inertes y del
agua de producción, y al menos un punto de inyección que conecta un
circuito hidráulico para la alimentación de agua al interior de al
menos un compartimiento de las pilas, dicha alimentación de agua
realiza simultáneamente la humidificación de las membranas y la
eliminación del calor generado, caracterizada porque al
menos un compartimiento de las pilas alimentado con los reactivos y
el agua que viene desde el punto de inyección comprende un elemento
reticulado eléctricamente conductivo interpuesto entre dichos
electrodos y dichas placas bipolares, que distribuye dicho flujo de
agua a través de todo el volumen ocupado por los reactivos
gaseosos.
2. La batería de la reivindicación 1
caracterizada porque el punto de inyección de agua está
posicionado afuera de dicho al menos un compartimiento.
3. La batería de la reivindicación 2
caracterizada porque el punto de inyección de agua está
posicionado a la entrada del colector para alimentar el flujo de
los reactivos.
4. La batería de la reivindicación 3
caracterizada porque dicho colector para alimentar el flujo
de los reactivos es un colector inferior.
5. La batería de la reivindicación 4
caracterizada porque dicha batería está rotada alrededor de
su eje principal y el colector está en la posición más baja.
6. La batería de las reivindicaciones anteriores
caracterizada porque un solo compartimiento de las pilas es
alimentado con agua.
7. La batería de la reivindicación 6
caracterizada porque dicho un solo compartimiento alimentado
con agua es el compartimiento catódico.
8. La batería de la reivindicación 2
caracterizada porque dicho punto de inyección de agua está
posicionado al interior de canales formados en las guarniciones,
corriente abajo del colector para alimentar el flujo de los
reactivos.
9. La batería de la reivindicación 1
caracterizada porque dicho punto de inyección de agua está
posicionado al interior de las pilas.
10. La batería de la reivindicación 8
caracterizada porque la orientación de la inyección de agua
es esencialmente paralela a la dirección del flujo de los
reactivos.
11. La batería de la reivindicación 8
caracterizada porque la orientación de la inyección de agua
es esencialmente ortogonal a la dirección del flujo de los
reactivos.
12. La batería de la reivindicación 1
caracterizada porque dicho elemento reticulado es deformable
por compresión en frío.
13. La batería de la reivindicación 12
caracterizada porque dicho elemento reticulado deformable
por compresión en frío es una espuma metálica.
14. La batería de la reivindicación 13
caracterizada porque dicha espuma metálica contiene
níquel.
15. La batería de la reivindicación 12
caracterizada porque dicho elemento reticulado comprende al
menos una depresión para la distribución de agua.
16. La batería de la reivindicación 15
caracterizada porque dicha al menos una depresión es
obtenida por compresión en frío.
17. La batería de la reivindicación 15
caracterizada porque la orientación de dicha al menos una
depresión es esencialmente paralela a la dirección del flujo de los
reactivos.
18. La batería de la reivindicación 17
caracterizada porque dichas depresiones tienen forma de
serpentina.
19. La batería de la reivindicación 15
caracterizada porque la orientación de dicha al menos una
depresión es esencialmente ortogonal a la dirección del flujo de
los reactivos.
20. La batería de la reivindicación 19
caracterizada porque dichas depresiones están dispuestas
según una geometría de doble peine alternado.
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