Célula de humidificación.

Célula (1) de humidificación de un dispositivo (41) de pilas de combustible con una primera placa

(9a) externa y una segunda placa (9b) externa, estando dispuestos partiendo de la primera placa (9a) externa entre la primera placa (9a) externa y la segunda placa (9b) externa un espacio (21) de gas, un espacio (31) de agua de humidificación y una membrana (5) permeable al agua que separa los dos espacios (21, 31), estando dispuesto entre la primera placa (9a) externa y la membrana (5) un primer elemento (7a) de apoyo permeable al agua, estando fabricado el primer elemento (7a) de apoyo de un tejido, que está compuesto por un plástico, caracterizada porque el plástico es un plástico fluorado, que está compuesto al menos parcialmente, preferiblemente por completo, por un copolímero alternado de etileno y clorotrifluoroetileno (E-CTFE).

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2012/056889.

Solicitante: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT.

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: WITTELSBACHERPLATZ 2 80333 MUNCHEN ALEMANIA.

Inventor/es: DATZ, ARMIN, HOFFMANN, JOACHIM, MATTEJAT, ARNO, HAMMERSCHMIDT, ALBERT, BRANDT,TORSTEN, LATZEL,SILKE.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > PROCEDIMIENTOS O MEDIOS, p. ej., BATERIAS, PARA LA... > Pilas de combustible; Su fabricación > H01M8/04 (Disposiciones o procesos auxiliares, p. ej. para controlar la presión, para la circulación de fluidos)

PDF original: ES-2548835_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

CÉLULA DE HUMIDIFICACIÓN

La invención se refiere a una célula de humidificación según el preámbulo de la reivindicación 1; una célula de humidificación de este tipo se conoce por ejemplo por el documento WO 2009/101036 A1.

En una pila de combustible, mediante la unión electroquímica de hidrógeno (H2) y oxígeno (O2) en un electrodo para formar agua (H2O) , se genera corriente eléctrica con un alto rendimiento. La implementación técnica de este principio de la pila de combustible ha llevado a diferentes soluciones, concretamente con diferentes electrolitos y temperaturas de funcionamiento de entre 60ºC y 1000ºC. En función de su temperatura de funcionamiento, las pilas de combustible se dividen en pilas de combustible de baja, media y alta temperatura, que a su vez se distinguen entre sí por diferentes formas de realización técnicas.

Las pilas de combustible de una disposición de pilas de combustible, durante su funcionamiento, se alimentan con gases de funcionamiento, es decir, con un gas combustible con contenido en hidrógeno y un gas de oxidación con contenido en oxígeno. Algunas formas de realización de pilas de combustible de baja temperatura, en particular pilas de combustible con una membrana de electrolito polimérico (pilas de combustible PEM) , requieren para su funcionamiento gases de funcionamiento humidificados. Estos gases de funcionamiento se saturan con vapor de agua en un dispositivo adecuado, como por ejemplo un compresor anular de líquido o un humidificador de membrana. El dispositivo de humidificación y otros dispositivos de alimentación posibles forman junto con una disposición de pilas de combustible un dispositivo de pilas de combustible.

En caso de que los gases de funcionamiento se conduzcan a través de conductos de alimentación de gas de funcionamiento largos desde el humidificador hacia la disposición de pilas de combustible, en este trayecto puede disminuir la temperatura de un gas de funcionamiento humidificado por la pérdida de calor hacia el entorno. Esto conduce a la condensación de agua de humidificación. A continuación, los gases de funcionamiento vuelven a calentarse en las pilas de combustible, con lo que se reduce su humedad relativa. De este modo el electrolito que siempre debe mantenerse húmedo y extremadamente sensible a la sequedad puede resultar dañado, con lo que se reduce su vida útil. Por tanto es deseable que el humidificador esté dispuesto lo más cerca posible de las pilas de combustible.

Por el documento EP 1 435 121 B1 se conoce un bloque de pilas de combustible con un apilamiento de pilas de combustible planas y un apilamiento de células de humidificación planas. Ambos apilamientos están dispuestos directamente adyacentes en el bloque de pilas de combustible. Las células de humidificación están configuradas como humidificadores de membrana, en los que, partiendo de una primera placa externa, entre la primera placa externa y una segunda placa externa están dispuestos un espacio de gas, un espacio de agua de humidificación y una membrana permeable al agua que separa ambos espacios, estando dispuesto entre la membrana y la primera placa externa un elemento de apoyo permeable al agua.

Antes de que los gases de funcionamiento se alimenten a las pilas de combustible del apilamiento de pilas de combustible, éstos fluyen a través de las células de humidificación, se humidifican en las mismas y a continuación, sin volver a salir del bloque de pilas de combustible, fluyen al interior del apilamiento de pilas de combustible.

En el espacio de agua de humidificación, es decir, en un lado de la membrana, fluye el agua de humidificación y en el espacio de gas, es decir en el otro lado de la membrana, fluye el gas de funcionamiento a través de canales, que están realizados en la respectiva placa externa. Para evitar que a lo largo de almas de las placas externas, la membrana quede cubierta por las almas, de modo que no pueda llegar agua de humidificación o gas de funcionamiento a la membrana, entre la membrana y una o ambas de las dos placas externas está dispuesto en cada caso un elemento de apoyo permeable al agua. De este modo, en la zona del elemento de apoyo, la membrana se mantiene distanciada de la placa externa y así se garantiza que en una gran superficie pueda penetrar agua de humidificación o gas de funcionamiento hacia la membrana, con lo que se aumenta el rendimiento de humidificación. Esto es especialmente importante en el uso de estructuras de gran superficie en la placa externa. En función de en qué lado de la membrana está dispuesto el elemento de apoyo, el agua de humidificación atraviesa o bien en primer lugar el elemento de apoyo y a continuación la membrana o bien en primer lugar la membrana y a continuación el elemento de apoyo y así llega al gas de funcionamiento que va a humidificarse.

Al menos el elemento de apoyo entre la membrana y la segunda placa externa está compuesto en este caso ventajosamente por papel carbón. El papel carbón es estable frente a los medios de funcionamiento utilizados o el material de membrana y preferiblemente tiene propiedades hidrófilas, es decir, se moja completamente con el agua. El papel carbón garantiza debido a la hidrofilia y la gran superficie una buena humidificación y posibles gotas de agua producidas por la presión hidrostática se distribuyen sobre la superficie y se arrastran en forma de gas en el espacio de gas a través del flujo de gas. Las fuerzas mecánicas entre la membrana y la o las placas externas se absorben bien mediante el papel carbón, además se evita un contacto directo entre la membrana y la o las placas externas y por tanto una corrosión.

Por el documento WO 2009/101036 A1 se conoce, en una célula de humidificación de este tipo, utilizar en lugar de papel carbón un tejido, que está compuesto por un plástico. También de este modo puede conseguirse una buena humidificación del gas, sin que en gran medida el agua líquida a través del gas de funcionamiento en el espacio de gas se arrastre en forma de gotitas de agua, lo que puede llevar a limitaciones en la capacidad funcional de pilas de combustible por el aporte de agua.

El objetivo de la presente invención es mejorar aún más las propiedades de funcionamiento en una célula de humidificación de este tipo. A este respecto, la célula de humidificación será adecuada en particular también para un funcionamiento con un cambio brusco del caudal de gas, como se produce por ejemplo mediante el cambio de carga en las pilas de combustible.

La solución de este objetivo se consigue mediante una célula de humidificación con las características de la reivindicación 1. El objeto de las reivindicaciones dependientes son en cada caso configuraciones ventajosas.

Según la invención, el tejido del primer elemento de apoyo está configurado por un plástico fluorado, que está compuesto al menos parcialmente, preferiblemente por completo, por un copolímero alternado de etileno y clorotrifluoroetileno (E-CTFE) . Como se ha demostrado, este tipo de tejidos se caracterizan por una buena resistencia frente a los gases de funcionamiento de pilas de combustible (en particular frente a oxígeno) , una superficie suficientemente grande para la humidificación del gas y una buena capacidad de retención/almacenamiento para agua (hidrofilia) . Sin embargo, en particular, también pueden dotarse de un muy buen comportamiento de mojado para agua líquida. De este modo puede evitarse una descarga y un arrastre de agua líquida en caso de cambios de carga u otros estados de funcionamiento no estacionarios de las pilas de combustible, que van acompañados de un cambio brusco del flujo de volumen de gas. De este modo se evita que una parte del agua que se adhiere a la superficie del tejido se arrastre en forma... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Célula (1) de humidificación de un dispositivo (41) de pilas de combustible con una primera placa (9a) externa y una segunda placa (9b) externa, estando dispuestos partiendo de la primera placa (9a) externa 5 entre la primera placa (9a) externa y la segunda placa (9b) externa un espacio (21) de gas, un espacio (31) de agua de humidificación y una membrana (5) permeable al agua que separa los dos espacios (21, 31) , estando dispuesto entre la primera placa (9a) externa y la membrana (5) un primer elemento (7a) de apoyo permeable al agua, estando fabricado el primer elemento (7a) de apoyo de un tejido, que está compuesto por un plástico, caracterizada porque el plástico es un plástico fluorado, que está compuesto al menos parcialmente, preferiblemente por completo, por un copolímero alternado de etileno y clorotrifluoroetileno (E-CTFE) .

2. Célula (1) de humidificación según la reivindicación 1, caracterizada porque entre la membrana (5) y la segunda placa (9b) externa está dispuesto un segundo elemento (7b) de apoyo permeable al agua, que también está fabricado de un tejido, que está compuesto por un plástico, siendo el plástico un plástico fluorado.

3. Célula (1) de humidificación según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el plástico fluorado está calandrado. 20

4. Célula (1) de humidificación según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el tejido presenta un ligamento de sarga.

5. Célula (1) de humidificación según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el tejido

presenta una permeabilidad al aire de desde 220 hasta 300 l/m2s a 2 mbar, en particular de 260 l/m2s a 2 mbar.

6. Célula (1) de humidificación según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el tejido presenta un grosor de desde 200 hasta 500 m, en particular de 370 m. 30

7. Célula (1) de humidificación según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el tejido con respecto a su grosor y al diámetro de sus poros y la membrana (5) con respecto a su rigidez están adaptados entre sí y a las presiones en los espacios (21, 31) que limitan con la membrana (5) de tal manera que durante el funcionamiento de la célula (1) de humidificación la membrana (5) no se fuerza a través de los poros y entra en contacto con la placa (9a o 9b) externa.

8. Célula (1) de humidificación según una de las reivindicaciones 2 a 7, caracterizada porque la primera placa (9a) externa, el primer elemento (7a) de apoyo, la membrana (5) , el segundo elemento (7b) de apoyo y la segunda placa (9b) externa son adyacentes en cada caso entre sí.