Unidades de procesamiento de hidrógeno y sistemas productores de hidrógeno y sistemas de celdas combustibles que incluyen los mismos.

Una unidad de procesamiento de hidrógeno (10), que comprende:

un recinto (14), que comprende:

un cuerpo

(16) que define un volumen interno (18) y el cuerpo que tiene un perímetro interno (20), donde el volumen interno incluye una región de gas mezclado (32) y una región permeada (34);

al menos un puerto de entrada (36) extendido a través del cuerpo y a través del cual una corriente de fluido (38) se suministra al recinto;

al menos un puerto de salida de producto (46) extendido a través del cuerpo y a través del cual una corriente permeada (48) es eliminada de la región permeada; y

al menos un puerto de salida de subproducto (50) extendido a través del cuerpo y a través del cual una corriente de subproductos (52) es eliminada de la región de gas mezclado; y 3 una unidad de separación de hidrógeno (28) posicionada en el volumen interno en una relación espaciada respecto a, al menos, una porción del perímetro interno (20) del cuerpo del recinto, la unidad de separación de hidrógeno que incluye, al menos, una membrana selectiva al hidrógeno plana o generalmente plana (54) y que tiene un perímetro externo (60) medido en el plano de, al menos, una membrana selectiva al hidrógeno, donde la unidad de separación de hidrógeno se adapta a recibir una corriente de gas mezclado (40) que contiene gas de hidrógeno (42) y otros gases (44) y para separar la corriente de gas mezclado en la corriente permeada y en la corriente de subproductos, en donde la corriente permeada tiene, al menos, una de las mayores concentraciones de gas de hidrógeno y una concentración de los otros gases menor que la corriente de gas mezclado, y más aún donde la corriente de subproductos contiene, al menos, una porción sustancial de los otros gases;

en donde la región permeada del volumen interno se define entre, al menos, una mayoría del perímetro externo (60) de la unidad de separación de hidrógeno y, al menos, una porción del perímetro interno (20) 25 del cuerpo del recinto, opcionalmente donde la unidad de procesamiento de hidrógeno es una combinación con un apilado de celda de combustible (322) adaptado para recibir, al menos, una porción de la corriente permeada.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/US2007/012289.

Solicitante: DCNS SA.

Nacionalidad solicitante: Francia.

Dirección: 40-42, rue du Docteur Finlay 75015 Paris FRANCIA.

Inventor/es: PLEDGER, WILLIAM, A., STUDEBAKER,R. TODD, POPHAM,VERNON WADE, TAYLOR,KYLE.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > QUIMICA INORGANICA > ELEMENTOS NO METALICOS; SUS COMPUESTOS (procesos... > C01B3/00 (Hidrógeno; Mezclas gaseosas que contienen hidrógeno; Separación del hidrógeno a partir de mezclas que lo contienen; Purificación del hidrógeno (producción de gas de agua o gas de síntesis a partir de materias carbonosas sólidas C10J))
  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > QUIMICA INORGANICA > ELEMENTOS NO METALICOS; SUS COMPUESTOS (procesos... > Hidrógeno; Mezclas gaseosas que contienen hidrógeno;... > C01B3/38 (con catalizadores)
  • 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)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > PROCEDIMIENTOS O MEDIOS, p. ej., BATERIAS, PARA LA... > Pilas de combustible; Su fabricación > H01M8/06 (Combinación de pilas de combustible con medios para la producción de reactivos o para el tratamiento de residuos (pilas de combustible regenerativas H01M 8/18))
  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > QUIMICA INORGANICA > ELEMENTOS NO METALICOS; SUS COMPUESTOS (procesos... > Hidrógeno; Mezclas gaseosas que contienen hidrógeno;... > C01B3/50 (Separación del hidrógeno o de los gases que lo contienen a partir de mezclas gaseosas, p. ej. purificación (C01B 3/14 tiene prioridad))

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Ilustración 1 de Unidades de procesamiento de hidrógeno y sistemas productores de hidrógeno y sistemas de celdas combustibles que incluyen los mismos.
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Ilustración 3 de Unidades de procesamiento de hidrógeno y sistemas productores de hidrógeno y sistemas de celdas combustibles que incluyen los mismos.
Ilustración 4 de Unidades de procesamiento de hidrógeno y sistemas productores de hidrógeno y sistemas de celdas combustibles que incluyen los mismos.
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Unidades de procesamiento de hidrógeno y sistemas productores de hidrógeno y sistemas de celdas combustibles que incluyen los mismos.

Fragmento de la descripción:

Unidades de procesamiento de hidrógeno y sistemas productores de hidrógeno y sistemas de celdas combustibles que incluyen los mismos.

Solicitudes relacionadas

La presente solicitud reivindica la prioridad de la solicitud de patente Provisional de Estados Unidos serie núm. 60/802, 716, que se presentó el 22 de mayo de 2006, y que se tituló HYDROGEN-PRODUCING FUEL PROCESSING ASSEMBLIES AND MEMBRANE-BASED SEPARATION ASSEMBLIES FOR USE THEREWITH y la 10 igualmente titulada solicitud de patente de Estados Unidos serie núm. 11/750, 806, que se presentó el 18 de mayo de 2007.

Campo técnico

La presente descripción se refiere generalmente a unidades de procesamiento de hidrógeno, y más particularmente a unidades de procesamiento de hidrógeno y componentes de esta para purificar gas de hidrógeno.

Antecedentes de la descripción 20

El gas de hidrógeno purificado se usa en la fabricación de muchos productos que incluyen metales, grasas y aceites comestibles, y semiconductores y componentes microelectrónicos. El gas de hidrógeno purificado es además una fuente de combustible importante para muchos dispositivos de conservación de energía. Por ejemplo, las celdas de combustible usan gas de hidrógeno purificado y un oxidante para producir un potencial eléctrico. Pueden usarse varios procesos y dispositivos para producir gas de hidrógeno. Sin embargo, muchos procesos que producen 25 hidrógeno producen una corriente de gas de hidrógeno impuro, que también se refiere como una corriente de gas mezclado que contiene gas de hidrógeno y otros gases. Previo al suministro de esta corriente a un apilado de celdas de combustible u otro dispositivo que consuma hidrógeno, la corriente de gas mezclado puede ser purificada, tal como para eliminar, al menos, una porción de los otros gases.

30 Un mecanismo apropiado para incrementar la pureza del hidrógeno de la corriente de gas mezclado es utilizar, al menos, un membrana selectiva al hidrógeno para separar la corriente de gas mezclado en una corriente de productos y en una corriente de subproductos. La corriente de productos contiene una mayor concentración de gas de hidrógeno y/o una reducida concentración de uno o más de los otros gases respecto a la corriente de gas mezclado. La corriente de subproductos contiene, al menos, una porción sustancial de uno o más de los otros gases 35 de la corriente de gas mezclado. La purificación de hidrógeno usando una o más membranas selectivas al hidrógeno es un proceso de separación conducido por la presión, en que una o más membranas selectivas al hidrógeno están contenidas en un recipiente a presión. La corriente de gas mezclado contacta la superficie de gas mezclado de la (s) membrana (s) , y la corriente de productos se forma de, al menos, una porción de la corriente de gas mezclado que se permea a través de la (s) membrana (s) . La corriente de subproductos se forma de, al menos, una porción de la 40 corriente de gas mezclado que no se permea a través de la (s) membrana (s) . El recipiente a presión está típicamente sellado para prevenir que los gases entren o salgan del recipiente a presión, excepto a través de puertos o conductos de entrada y salida definidos. Tal unidad de procesamiento de hidrógeno se describe en WO2006050335.

Breve descripción de las figuras 45

La Fig. 1 es una vista esquemática en sección transversal de una unidad de procesamiento de hidrógeno de acuerdo con la presente descripción.

La Fig. 2 es una vista esquemática en sección transversal de una unidad de procesamiento de hidrógeno de acuerdo con la presente descripción. 50

La Fig. 3 es una vista esquemática en sección transversal de un ensamble de membrana de acuerdo con la presente descripción.

La Fig. 4 es una vista esquemática en sección transversal de otro ensamble de membrana de acuerdo con la presente descripción.

La Fig. 5 es una vista en despiece de un ejemplo ilustrativo, no exclusivo de una unidad de procesamiento de 55 hidrógeno de acuerdo con la presente descripción.

La Fig. 6 es una vista en planta fragmentaria de porciones del recinto y de la unidad de separación de hidrógeno de la Fig. 5.

La Fig. 7 es una vista en planta fragmentaria de porciones del recinto y de la unidad de separación de hidrógeno de la Fig. 5. 60

La Fig. 8 es una vista en despiece de un ejemplo ilustrativo, no exclusivo de otra unidad de procesamiento de hidrógeno de acuerdo con la presente descripción que incluye una región productora de hidrógeno.

La Fig. 9 es una vista isométrica en despiece de un ejemplo ilustrativo, no exclusivo de otra unidad de separación de hidrógeno de acuerdo con la presente descripción.

La Fig. 10 es una vista en despiece de un ejemplo ilustrativo, no exclusivo de otra unidad de procesamiento de hidrógeno, de acuerdo con la presente descripción, que incluye una región productora de hidrógeno.

La Fig. 11 es una vista isométrica en despiece de un ejemplo ilustrativo, no exclusivo de otra unidad de separación de hidrógeno de acuerdo con la presente descripción.

La Fig. 12 es un diagrama esquemático de un sistema de procesamiento de combustible que incluye una unidad 5 de procesamiento de hidrógeno, de acuerdo con la presente descripción, y una fuente de gas de hidrógeno a purificar en la unidad de procesamiento de hidrógeno.

La Fig. 13 es un diagrama esquemático de un sistema de procesamiento de combustible que incluye un procesador de combustible productor de hidrógeno integrado con una unidad de procesamiento de hidrógeno, de acuerdo con la presente descripción. 10

La Fig. 14 es un diagrama esquemático de otro sistema procesador de combustible que incluye un procesador de combustible productor de hidrógeno y una unidad de procesamiento de hidrógeno integrada, de acuerdo con la presente descripción.

La Fig. 15 es un diagrama esquemático de un sistema de celda de combustible que incluye una unidad de procesamiento de hidrógeno, de acuerdo con la presente descripción. 15

Descripción detallada y mejor modo de la descripción La invención se relaciona con una unidad de procesamiento de hidrógeno de acuerdo con la reivindicación 1. Un ejemplo ilustrativo, no exclusivo de una unidad de procesamiento de hidrógeno, de acuerdo con la presente 20 descripción, se ilustra esquemáticamente en la sección transversal en la Fig. 1 y se indica generalmente en 10. La unidad 10 incluye una región de separación de hidrógeno 12 y un recinto 14. El recinto 14 incluye un cuerpo 16 que define un volumen interno 18 que tiene un perímetro interno 20.

El recinto 14 puede incluir, al menos, una primera porción 22 y una segunda porción 24 acopladas entre sí para 25 formar el cuerpo 16 en la forma de un recipiente a presión sellado que incluye puertos de salida y entrada definidos que definen las trayectorias del fluido, a través de las cuales los gases u otros fluidos se suministran a o se eliminan del volumen interno del recinto. Las porciones primera y segunda 22, 24 pueden acoplarse entre sí usando cualquier mecanismo o estructura de retención apropiado, 26. Ejemplos de estructuras apropiadas 26 incluyen soldaduras y/o juntas, aunque cualquier mecanismo de retención apropiado se encuentra dentro del alcance de la presente 30 descripción. Ejemplos de sellos que pueden ser usados para proporcionar una interface hermética a fluidos entre las porciones primera y segunda 22, 24 incluyen, pero no se limita a, juntas y/o soldaduras. Adicionalmente o alternativamente, las porciones primera y segunda 22, 24 pueden asegurarse entre sí de forma que, al menos, una cantidad predeterminada de compresión se aplique a varios componentes que definan la región de separación de hidrógeno... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Una unidad de procesamiento de hidrógeno (10) , que comprende:

un recinto (14) , que comprende: 5

un cuerpo (16) que define un volumen interno (18) y el cuerpo que tiene un perímetro interno (20) , donde el volumen interno incluye una región de gas mezclado (32) y una región permeada (34) ;

al menos un puerto de entrada (36) extendido a través del cuerpo y a través del cual una corriente de fluido (38) se suministra al recinto;

al menos un puerto de salida de producto (46) extendido a través del cuerpo y a través del cual una 10 corriente permeada (48) es eliminada de la región permeada; y al menos un puerto de salida de subproducto (50) extendido a través del cuerpo y a través del cual una corriente de subproductos (52) es eliminada de la región de gas mezclado; y una unidad de separación de hidrógeno (28) posicionada en el volumen interno en una relación espaciada respecto a, al menos, una porción del perímetro interno (20) del cuerpo del recinto, la unidad de separación 15 de hidrógeno que incluye, al menos, una membrana selectiva al hidrógeno plana o generalmente plana (54) y que tiene un perímetro externo (60) medido en el plano de, al menos, una membrana selectiva al hidrógeno, donde la unidad de separación de hidrógeno se adapta a recibir una corriente de gas mezclado (40) que contiene gas de hidrógeno (42) y otros gases (44) y para separar la corriente de gas mezclado en la corriente permeada y en la corriente de subproductos, en donde la corriente permeada tiene, al menos, 20 una de las mayores concentraciones de gas de hidrógeno y una concentración de los otros gases menor que la corriente de gas mezclado, y más aún donde la corriente de subproductos contiene, al menos, una porción sustancial de los otros gases;

en donde la región permeada del volumen interno se define entre, al menos, una mayoría del perímetro externo (60) de la unidad de separación de hidrógeno y, al menos, una porción del perímetro interno (20) 25 del cuerpo del recinto, opcionalmente donde la unidad de procesamiento de hidrógeno es una combinación con un apilado de celda de combustible (322) adaptado para recibir, al menos, una porción de la corriente permeada.

2. La unidad de procesamiento de hidrógeno de la reivindicación 1, donde la región permeada está en 30 comunicación de fluido directa con, al menos, una porción del perímetro interno (20) del cuerpo del recinto.

3. La unidad de procesamiento de hidrógeno de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, donde el perímetro externo de la unidad de separación de hidrógeno incluye dos porciones generalmente opuestas (64, 66) ; y donde la región permeada se define entre, al menos, dos porciones del perímetro interno del cuerpo y las 35 dos porciones generalmente opuestas del perímetro externo de la unidad de separación de hidrógeno.

4. La unidad de procesamiento de hidrógeno de cualquier reivindicación anterior, donde la unidad de separación de hidrógeno incluye una pluralidad de protrusiones (124) que se extienden desde el perímetro externo (60) de la unidad de separación de hidrógeno hacia el perímetro interno del recinto para posicionar 40 la unidad de separación de hidrógeno con el recinto.

5. La unidad de procesamiento de hidrógeno de cualquier reivindicación anterior, donde el cuerpo del recinto incluye, al menos, un nicho interno que define un pasaje de flujo de gas (176) para la corriente permeada.

6. La unidad de procesamiento de hidrógeno de cualquier reivindicación anterior, donde la unidad de separación de hidrógeno y el cuerpo del recinto son ajustados para definir solo una orientación de la unidad de separación de hidrógeno dentro del recinto.

7. La unidad de procesamiento de hidrógeno de cualquier reivindicación anterior,

en donde el cuerpo del recinto incluye una primera porción y una segunda porción;

donde la unidad de separación de hidrógeno se comprime entre las porciones primera y segunda; y donde la relación espaciada de la unidad de separación de hidrógeno y, al menos, una porción del 55 perímetro interno del cuerpo del recinto se mantiene por la compresión entre las porciones primera y segunda del cuerpo.

8. La unidad de procesamiento de hidrógeno de cualquier reivindicación anterior,

60 donde la corriente de fluido es la corriente de gas mezclado y es suministrada a la región de gas mezclado;

donde, al menos, una membrana selectiva al hidrógeno incluye una superficie (56) adaptada para estar en contacto con la corriente de gas mezclado y la superficie permeada (58) generalmente opuesta a la primera superficie; y 65

donde la corriente permeada es formada de una porción de la corriente de gas mezclado que pasa a través de la membrana selectiva al hidrógeno a la región permeada del volumen interno.

9. La unidad de procesamiento de hidrógeno de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, que además comprende una región productora de hidrógeno (70) colocada dentro del recinto; 5

donde la corriente de fluido (38) es una corriente de alimentación (72) y es suministrada a la región productora de hidrógeno;

donde en la región productora de hidrógeno, la corriente de alimentación reacciona químicamente para producir gas de hidrógeno de ellos en la forma de la corriente de gas mezclado (40) , y donde la corriente de gas mezclado se suministra a la región de gas mezclado del volumen interno; 10

donde, al menos, una membrana selectiva al hidrógeno incluye una primera superficie (56) adaptada para contactar la corriente de gas mezclado y una superficie permeada (58) generalmente opuesta a la primera superficie; y donde la corriente permeada se forma de una porción de la corriente de gas mezclado que pasa a través de la membrana selectiva al hidrógeno a la región permeada del volumen interno. 15

10. La unidad de procesamiento de hidrógeno de cualquier reivindicación anterior, en donde la unidad de separación de hidrógeno:

es generalmente plana y se configura para que la corriente permeada salga de la unidad de separación de hidrógeno en una dirección generalmente paralela a la unidad de separación de hidrógeno, y/o es configurada para que la corriente permeada salga de la unidad de separación de hidrógeno en una dirección generalmente paralela a la membrana selectiva al hidrógeno, y/o se adapte para recibir la corriente de gas mezclado desde una primera dirección y configurada para que la 25 corriente permeada salga de la unidad de separación de hidrógeno en una segunda dirección generalmente perpendicular a la primera dirección.

11. La unidad de procesamiento de hidrógeno de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 o 10, donde, al menos, una membrana selectiva al hidrógeno incluye una primera superficie (56) adaptada para contactar 30 la corriente de gas mezclado y una superficie permeada (58) generalmente opuesta a la primera superficie;

donde la corriente permeada se forma de una porción de la corriente de gas mezclado que pasa a través de la membrana selectiva al hidrógeno a la región permeada del volumen interno; y donde la unidad de separación de hidrógeno se configura para que la corriente permeada fluya desde la superficie permeada a la región permeada en una dirección generalmente paralela a la superficie 35 permeada.

12. La unidad de procesamiento de hidrógeno de la reivindicación 1,

donde, al menos, una membrana selectiva al hidrógeno incluye una primera superficie (56) adaptada para contactar la corriente de gas mezclado y una superficie permeada (58) generalmente opuesta a la primera 40 superficie;

donde la corriente permeada se forma de una porción de la corriente de gas mezclado que pasa a través de la membrana selectiva al hidrógeno desde la primera superficie a la superficie permeada;

donde la unidad de separación de hidrógeno incluye, al menos, una región de recolección (78) que está adyacente a la superficie permeada; y 45

donde la unidad de separación de hidrógeno se configura para que la corriente permeada fluya a través de la región de recolección en una dirección que es generalmente paralela a, al menos, una membrana selectiva al hidrógeno, opcionalmente donde la unidad de separación de hidrógeno incluye, al menos, un tamiz que define la región de recolección, y más aún donde la unidad de separación de hidrógeno no incluye una junta entre la 50 superficie permeada y el tamiz, u opcionalmente donde, al menos, una región de recolección está generalmente paralela a, al menos, una membrana selectiva al hidrógeno y es generalmente coextensiva con, al menos, una membrana selectiva al hidrógeno, u opcionalmente donde la unidad de separación de hidrógeno no incluye una junta adyacente a la superficie 55 permeada.

13. La unidad de procesamiento de hidrógeno de la reivindicación 1, donde la unidad de separación de hidrógeno incluye una pluralidad de membranas selectivas al hidrógeno planas o generalmente planas y separadas, cada membrana tiene una primera superficie (56) adaptada para contactar, al menos, una 60 porción de la corriente de gas mezclado y una superficie permeada (58) generalmente opuesta a la primera superficie,

opcionalmente donde la pluralidad de membranas selectivas al hidrógeno separadas incluye, al menos, un par de membranas selectivas al hidrógeno con sus respectivas superficies permeadas, generalmente frente 65

a frente y separadas para definir una región de recolección a través de la cual la corriente permeada fluye a la región permeada del volumen interno, u opcionalmente donde la unidad de separación de hidrógeno incluye, al menos, un tamiz que define la región de recolección, y más aún donde la unidad de separación de hidrógeno no incluye una junta que se extiende entre las superficies permeadas de, al menos, un par de membranas selectivas al hidrógeno, 5

más aún opcionalmente donde la pluralidad de membranas selectivas al hidrógeno separadas incluye, al menos, una tercera membrana selectiva al hidrógeno con su primera superficie generalmente enfrente y separada de la primera superficie de una de las membranas selectivas al hidrógeno del par de membranas selectivas al hidrógeno.

14. La unidad de procesamiento de hidrógeno de la reivindicación 1, que además comprende un lecho catalizador de metanación (185) dentro del recinto.

15. La unidad de procesamiento de hidrógeno de reivindicación 1, en combinación con una región productora de hidrógeno (70) adaptada para producir gas mezclado. 15

16. La unidad de procesamiento de hidrógeno de la reivindicación 15, en donde la región productora de hidrógeno incluye, al menos, un lecho catalizador de reformación (334) ,

opcionalmente donde la región productora de hidrógeno es o bien externa al recinto, o interna al recinto, más aún, opcionalmente donde la unidad de procesamiento de hidrógeno está más aún en combinación 20 con un apilado de celda de combustible (322) adaptado para recibir, al menos, una porción de la corriente permeada y para producir una corriente eléctrica de ella.

17. El uso de la unidad de procesamiento de hidrógeno (10) de la reivindicación 1 para purificar el gas de hidrógeno (42) , donde la unidad de separación de hidrógeno comprende más aún: 25

al menos, un módulo de membrana generalmente plana que tiene el perímetro externo (60) e incluye, al menos, una membrana selectiva al hidrógeno plana o generalmente plana (54) y, al menos, una región de recolección (78) adyacente a, al menos, una membrana selectiva al hidrógeno, donde, al menos, una membrana selectiva al hidrógeno incluye una primera superficie (56) adaptada para contactar la corriente de gas mezclado y una superficie permeada (58) generalmente opuesta a la primera superficie, y más aún 30 donde la corriente permeada se forma de una porción de la corriente de gas mezclado que pasa a través de la membrana selectiva al hidrógeno a la región de recolección (78) del volumen interno, donde la región de recolección incluye un soporte adaptado para soportar la superficie permeada de la membrana selectiva al hidrógeno, donde la unidad de separación de hidrógeno no incluye un sello entre la membrana selectiva al hidrógeno y el soporte, y donde más aún la región permeada está en comunicación de fluido directa con, al 35 menos, una porción del perímetro interno del cuerpo del recinto;

opcionalmente donde, al menos, una región de recolección está generalmente paralela a, al menos, una membrana selectiva al hidrógeno, o opcionalmente donde, al menos, una región de recolección es generalmente coextensiva con, al menos, una membrana selectiva al hidrógeno. 40

18. El uso de la unidad de procesamiento de hidrógeno (10) de la reivindicación 1 para purificar el gas de hidrógeno (42) donde la unidad de separación de hidrógeno comprende más aún:

al menos, un par membranas selectivas al hidrógeno generalmente planas opuestas o generalmente planas (54) , donde cada una de las membranas selectivas al hidrógeno incluye una primera superficie (56) 45 adaptada para contactar la corriente de gas mezclado y una superficie permeada (58) generalmente opuesta a la primera superficie, y más aún donde la corriente permeada se forma de una porción de la corriente de gas mezclado que pasa a través de las membranas selectivas al hidrógeno a la región permeada del volumen interno; y donde la unidad de separación de hidrógeno no incluye un sello que se extienda entre las superficies 50 permeadas del par de membranas selectivas al hidrógeno generalmente opuestas.