Pila de combustible con cámara anódica que consta, en la cámara anódica, de una superficie de condensación y de evacuación de agua, y procedimiento de condensación y de evacuación de agua formada en dicha cámara.

Pila de combustible que comprende una cámara anódica (2) en la que desemboca una entrada

(3) de hidrógeno,

caracterizada porque la pila de combustible consta de una pluralidad de células elementales delimitadas por pares de electrodos, que forman respectivamente un ánodo (10) y un cátodo (11), estando cada par separado por una membrana electrolítica (9), estando todos los ánodos dispuestos en la cámara anódica (2),

porque una pared (4) que separa el interior del exterior de la cámara anódica (2) consta de:

- una región principal (5) que tiene una primera resistencia térmica de conducción entre el exterior y el interior de la cámara anódica (2),

- una región de condensación de agua (6) privilegiada que tiene una segunda resistencia térmica de conducción entre el exterior y el interior de la cámara anódica (2) estrictamente inferior a la primera resistencia térmica de conducción para delimitar una superficie de condensación (7) de agua en el interior de la cámara anódica (2), porque un canal (8) de evacuación del agua condensada conecta la superficie de condensación (7) con el exterior de la cámara anódica (2),

porque consta de un elemento (17) de almacenamiento y de evaporación de agua líquida dispuesto en el exterior de la cámara anódica (2) y equipado con el canal (8) de evacuación para absorber el agua extraída de dicha cámara anódica (2)

y porque el elemento (17) de almacenamiento y de evaporación está en contacto con la región de condensación (6).

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/FR2012/000072.

Solicitante: COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES.

Nacionalidad solicitante: Francia.

Dirección: BATIMENT "LE PONANT D" 25, RUE LEBLANC 75015 PARIS FRANCIA.

Inventor/es: FAUCHEUX,VINCENT, Latour,Antoine, THERY,JESSICA, VALON,BRUNO.

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 > H01M8/24 (Agrupación de pilas de combustible en baterías, p. ej. módulos)
  • 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-2539175_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Pila de combustible con cámara anódica que consta, en la cámara anódica, de una superficie de condensación y de evacuación de agua, y procedimiento de condensación y de evacuación de agua formada en dicha cámara. 5

Campo técnico de la invención

La invención se refiere a una pila de combustible que comprende una cámara anódica en la que desemboca una entrada de hidrógeno. 10

Estado de la técnica

En las pilas de combustible de tipo con cámara anódica que puede albergar uno o más ánodos, la producción de electricidad se realiza gracias a la oxidación en un ánodo de un combustible de tipo hidrógeno, y a la reducción en un cátodo de un oxidante de tipo oxígeno del aire. De manera general, el ánodo y el cátodo están separados por una membrana electrolítica a menudo de Nafion®. En el ejemplo particular del hidrógeno como combustible, este último se disocia a nivel del ánodo (H 22 H ++2e -) para dar iones H+ que atraviesan la membrana y reaccionan a nivel del cátodo, donde circula el oxidante, para generar agua.

(2 O2 2H 2e H2O) .Sin embargo, una parte del agua generada en el lado del cátodo se retrodifunde por la membrana, y se recupera en forma de vapor en la cámara anódica. En función de las condiciones exteriores (temperatura, humedad) y de trabajo (rendimiento, confinamiento del sistema) , esta retrodifusión puede afectar del 10% al 40% del agua generada a nivel del cátodo.

Por otro lado, si el hidrógeno se genera aguas arriba del ánodo por hidrólisis de un hidruro químico, esto impone que 25 cierta carga de agua esté presente en el gas, resultante de la hidrólisis, que ha sido llevado a nivel del ánodo.

De este modo, durante el funcionamiento de la pila de combustible, la cámara anódica se llena de vapor de agua que se condensa poco a poco, conllevando una disminución del rendimiento de la pila de combustible en la medida en que el agua condensada obstaculiza el paso del hidrógeno hacia sitios catalíticos del ánodo.

El documento US2006/0121326 describe una pila de combustible provista, a nivel de un ánodo, de un canal de entrada de hidrógeno, y de un canal de salida del hidrógeno que no haya reaccionado y de impurezas. Este canal de salida está configurado para purgar las impurezas, consta de una válvula que se abre durante un periodo determinado.

El sistema de purga del documento US2006/0121326 no puede ser aplicado a las pilas de combustible del tipo con cámara anódica. En efecto en estas últimas, el agua se condensa en la cámara anódica y se vuelve estancada. Pudiendo la pila de combustible funcionar en todas las posiciones, es difícil colocar una válvula de purga sin conllevar una pérdida consecuente del rendimiento de la pila de combustible durante la evacuación del agua estancada, ya que un volumen consecuente de hidrógeno será entonces también evacuado fuera de la cámara anódica.

Una pila de combustible provista de medios de evacuación de agua condensada se describe en el documento US2003/0068543. 45

Objeto de la invención

El objeto de la invención pretende formar una pila de combustible capaz de realizar una purga eficaz de agua contenida en la cámara anódica sea cual sea la posición de la pila de combustible. Se tiende hacia este objeto por 50 las reivindicaciones adjuntas.

Breve descripción de los dibujos Otras ventajas y características serán más claramente evidentes a partir de la descripción a continuación de 55 realizaciones particulares de la invención dadas a modo de ejemplos no limitantes y representadas en los dibujos adjuntos, en los que:

- la figura 1 representa una vista en corte de una primera realización de una pila de combustible, -la figura 2 representa una vista en corte de una segunda realización de una pila de combustible, -la figura 3 representa una vista en corte de una variante de la segunda realización de una pila de combustible, -la figura 4 ilustra una vista en corte centrada sobre una región de condensación equipada con un sensor de presencia de agua, -la figura 5 ilustra una vista en corte centrada sobre una región de condensación equipada con un elemento de almacenamiento y de evaporación de agua, -la figura 6 ilustra una variante de realización de regiones de condensación.

Descripción de realizaciones preferentes de la invención

La pila de combustible descrita a continuación permite evacuar el agua condensada en la cámara anódica, concretamente por retrodifusión del agua generada a nivel del cátodo de la pila de combustible, durante su funcionamiento gracias a una zona que favorece a la vez la condensación del agua y la evacuación del agua condensada.

En las figuras 1 a 3, la pila de combustible 1 comprende una cámara anódica 2 en la que desemboca una entrada 3 de hidrógeno. Una pared 4 separa el interior del exterior de la cámara anódica 2. La pared 4 consta de una región principal 5 que tiene una primera resistencia térmica de conducción entre el exterior y el interior de la cámara anódica 2. La pared 4 consta, además, de una región de condensación de agua 6 privilegiada que tiene una segunda resistencia térmica de conducción entre el exterior y el interior de la cámara anódica 2 estrictamente inferior a la primera resistencia térmica de conducción para delimitar una superficie 7 de condensación de agua en el interior de la cámara anódica 2.

Un canal 8 de evacuación del agua condensada conecta la superficie de condensación 7 con el exterior de la cámara anódica 2. Preferentemente, el canal 8 de evacuación atraviesa la región de condensación de agua 6. El canal 8 de evacuación puede constar de un estado abierto en el que el agua puede ser evacuada y un estado cerrado en el que el interior de la cámara anódica 2 es estanco con respecto al exterior de la cámara anódica 2 a nivel de dicho canal 8 de evacuación. El canal de evacuación 8 puede ser un capilar. El capilar forma un tubo que permite el desplazamiento del agua en dicho tubo por sobrepresión del interior de la cámara anódica 2 hacia el exterior de la cámara anódica 2.

Esta disposición particular permite favorecer la condensación del agua presente en forma de vapor en la cámara anódica 2 sobre la superficie de condensación 7. Eso se hizo posible mediante la presente pila de combustible aprovechando la diferencia de temperatura a nivel de la pared 4 entre el interior y el exterior de la cámara anódica 2 de modo que al menos un punto de la superficie interna de la cámara anódica 2 (es este caso la superficie de condensación 7) esté a una temperatura estrictamente inferior al resto de la región principal 5.

De hecho, la resistencia térmica de conducción permite definir un elemento en función de su resistencia al paso de 45 un flujo de conducción térmica entre dos superficies. De este modo, cuanto mayor es la resistencia térmica, menor es la cantidad de calor que atraviesa el elemento. Por definición, se dirá que un material aislante térmicamente posee una resistencia de conducción térmica importante. Por lo tanto, las características particulares de la región principal 5 y de la región de condensación 6 definidas anteriormente permiten favorecer la condensación en un punto particular de una pila de combustible, preferentemente cuando la temperatura interior Tint de la cámara anódica 2 es 50 estrictamente superior a la temperatura exterior Text de la cámara anódica 2.

En el ejemplo particular de las figuras 1 a 3, la cámara anódica 2 puede constar de varias paredes que delimitan, con una membrana electrolítica 9 y/o al menos un ánodo 10, el interior de la cámara anódica 2. Una pared consta de una primera superficie que delimita al menos una parte del interior de la cámara... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Pila de combustible que comprende una cámara anódica (2) en la que desemboca una entrada (3) de hidrógeno, caracterizada porque la pila de combustible consta de una pluralidad de células elementales delimitadas por pares de electrodos, que forman respectivamente un ánodo (10) y un cátodo (11) , estando cada par separado por una membrana electrolítica (9) , estando todos los ánodos dispuestos en la cámara anódica (2) , porque una pared (4) que separa el interior del exterior de la cámara anódica (2) consta de:

- una región principal (5) que tiene una primera resistencia térmica de conducción entre el exterior y el interior de la cámara anódica (2) , -una región de condensación de agua (6) privilegiada que tiene una segunda resistencia térmica de conducción entre el exterior y el interior de la cámara anódica (2) estrictamente inferior a la primera resistencia térmica de conducción para delimitar una superficie de condensación (7) de agua en el interior de la cámara anódica (2) , porque un canal (8) de evacuación del agua condensada conecta la superficie de condensación (7) con el exterior de 20 la cámara anódica (2) , porque consta de un elemento (17) de almacenamiento y de evaporación de agua líquida dispuesto en el exterior de la cámara anódica (2) y equipado con el canal (8) de evacuación para absorber el agua extraída de dicha cámara anódica (2)

y porque el elemento (17) de almacenamiento y de evaporación está en contacto con la región de condensación (6) .

2. Pila según la reivindicación 1, caracterizada porque al menos dos células elementales constan de una membrana electrolítica (9) común.

3. Pila según la reivindicación 1, caracterizada porque la pila de combustible consta de una pluralidad de membranas electrolíticas (9) individuales que corresponden, cada una, a una célula elemental.

4. Pila según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque la región de condensación (6) está formada por un adelgazamiento local (12) de la pared (4) en la cámara anódica (2) . 35

5. Pila según la reivindicación 4, caracterizada porque la región de condensación (6) consta de una protuberancia (13) dispuesta en el exterior de la cámara anódica (2) a nivel del adelgazamiento (12) .

6. Pila según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque la región de

condensación (6) consta de un inserto que llena un agujero de la pared (4) que hace que el interior de la cámara anódica (2) comunique con el exterior de la cámara anódica (2) .

7. Pila según la reivindicación 6, caracterizada porque el inserto está hecho de un material cuya conductividad térmica es superior al material utilizado para delimitar la región principal (5) . 45

8. Pila según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el canal de evacuación (8) está conectado a una válvula (14) que controla la evacuación del agua condensada a través de dicho canal (8) de evacuación.

9. Pila según la reivindicación 8, caracterizada porque la superficie de condensación (7) está equipada con un sensor (15) de presencia de agua, estando el sensor (15) conectado a la válvula (14) para desencadenar una evacuación en caso de presencia de agua (16) sobre dicha superficie de condensación (7) .

10. Pila según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizada porque el elemento de almacenamiento y 55 de evaporación consta de un material (19) capaz de realizar una combustión catalítica del hidrógeno.

11. Pila según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque un material poroso hidrófilo (18) está dispuesto en la cámara anódica (2) .

12. Pila según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la pared (4) consta de regiones de condensación (6a, 6b, 6c) conectadas entre sí por microcanales (20a, 20b) , conectando el canal de evacuación (8) al menos una superficie de condensación (7) de una de las regiones de condensación con el exterior de la cámara anódica (2) .

13. Procedimiento de condensación y de evacuación de agua formada en una cámara anódica de una pila de combustible según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque consta de las siguientes etapas:

-rebajar localmente la temperatura de al menos una superficie de condensación (7) de una pared (4) de la cámara anódica (2) en el interior de la cámara anódica (2) , -condensar un vapor de agua obtenido por retrodifusión durante el funcionamiento de la pila de combustible sobre la superficie de condensación (7) , -evacuar el agua condensada sobre la superficie de condensación (7) a través de un canal (8) de evacuación que conecta dicha superficie de condensación (7) con el exterior de la cámara anódica (2) .

14. Procedimiento según la reivindicación 13, caracterizado porque antes de la etapa de evacuación, se realiza una etapa de detección de la presencia de agua condensada sobre la superficie de condensación (7) , realizándose la etapa de evacuación solamente si se detecta agua (16) condensada sobre la superficie de condensación (7) .