SISTEMA DE PILAS DE COMBUSTIBLE.

Sistema de pilas de combustible (66, 76), que comprende una pluralidad de pilas de combustible (8),

que están reunidas para formar varias etapas en cascada (S1, S2, S3, S4, S5), que están dispuestas en cascada en una corriente de gas de trabajo, estando dispuesta en el espacio una etapa en cascada (S2, S3, S4, S5) entre dos etapas en cascada (S1, S2, S3, S4) precedentes en la corriente de gas de trabajo, caracterizado porque la última etapa en cascada (S4, S5) en la corriente de gas de trabajo, está dispuesta en el espacio entre dos etapas en cascada (S1, S2, S3) precedentes en la corriente de gas de trabajo

Sistema de pilas de combustible.

La invención se refiere a un sistema de pilas de combustible, que comprende una pluralidad de pilas de combustible, que están reunidas en varias etapas en cascada, que están dispuestas en cascada en una corriente de gas de trabajo, estando dispuesta en el espacio una etapa en cascada entre dos etapas en cascada precedentes en la corriente de gas de trabajo.

En una pila de combustible reaccionan hidrógeno (H₂) y oxígeno (O₂) sobre un electrolito, con desprendimiento de calor, para proporcionar energía eléctrica con producción de agua, que tiene que ser purgada fuera de la pila de combustible, - junto con el agua de humectación, que se desprende por condensación -. Con el fin de que una pila de combustible pueda funcionar en ausencia de perturbaciones y de forma eficiente, debe alimentarse gas de trabajo a la pila de combustible en una cantidad suficiente, es decir gas que contenga oxígeno o que contenga hidrógeno, con objeto de poder evacuar de manera perfecta el agua formada. Esto se lleva a cabo por medio de un arrastre por insuflado del agua fuera de la pila de combustible, para lo cual se le alimenta una cantidad de gas de trabajo mayor que la necesaria para la reacción, con el fin de que esté disponible el gas de trabajo en exceso para llevar a cabo el arrastre por insuflado. Esto conduce a que una parte del gas de trabajo alimentado abandone de nuevo la pila de combustible sin intervenir en una reacción.

Con objeto de aprovechar el gas de trabajo, que es arrastrado por insuflado fuera de la pila de combustible, se ha acreditado perfectamente una distribución denominada en cascada, según la cual el correspondiente gas de trabajo fluye a través de varias etapas en cascada sucesivas, que presentan un número decreciente de recintos gaseosos de pilas de combustible, que están conectados en paralelo. Por medio de la disposición en cascada, el gas de trabajo no aprovechado, procedente de la primera etapa en cascada, es alimentado en la segunda etapa en cascada, siendo ampliamente consumido en la misma, el resto es alimentado en la tercera etapa en cascada, que contiene un número menor de pilas de combustible y así sucesivamente. De este modo, puede alcanzarse un buen aprovechamiento del gas de trabajo empleado. Se conoce una disposición en cascada de este tipo, por ejemplo, por la publicación WO 02/37594 A2.

En la última etapa en cascada, que está constituida de manera usual por una o por varias pilas denominadas de purga, se acumula agua y es máxima la concentración de los gases inertes, que no pueden ser consumidos en la reacción electroquímica. Cuando aumenta la concentración de los gases inertes o la cantidad de agua en las pilas de purga por encima de un valor predeterminado, se purgan de las pilas de purga, por medio de una válvula controlada, el gas inerte y el agua y puede volver a fluir gas de trabajo fresco.

Se emitirá una señal, con objeto de llevar a cabo el vaciado de una pila de purga, de manera usual, cuando la tensión de la pila, correspondiente a la pila de combustible que sirve como pila de purga, caiga por debajo de un valor de umbral determinado. Una caída de la tensión de pila es provocada debido a que, al menos, uno de los electrodos no está suficientemente alimentado con el gas de trabajo correspondiente, por ejemplo debido a que la pila de purga contiene una gran cantidad de agua, que bloquea el acceso del gas de trabajo hasta los electrodos. Desde luego, cuando cae la tensión de pila de una pila de purga, solo puede determinarse con dificultad si debe ser liberado del agua o bien si debe ser liberado del gas inerte el lado del ánodo o el lado del cátodo. La purga de ambos lados conduciría a una pérdida innecesaria de gas de trabajo a través del lado de gas libre.

Con objeto de resolver este problema es conocido el hecho de llevar a cabo la orientación de disposición en cascada del lado del ánodo en sentido contrapuesto con respecto a la disposición en cascada del lado del cátodo de tal manera, que las pilas de purga del lado del ánodo, es decir de aquellas pilas de combustible, cuyo recinto gaseoso anódico es empleado como recinto colector del agua y del gas inerte, no coincidan con las pilas de purga del lado del cátodo. Por consiguiente, en el caso de una pila de purga, únicamente es empleado uno de sus dos recintos de gas a modo de recintos de gaseoso de purga que, de manera consecuente, es purgado en caso de que se produzca una caída de la tensión de pila.

Como consecuencia de la disposición en cascada contrapuesta y de la necesidad de tener que recorrer, desde arriba hacia abajo, con gas de trabajo grandes pilas de combustible, que se encuentran dispuestas de canto, en un apilamiento de pilas de combustible, con objeto de que el agua producida pueda ser arrastrada por insuflado hacia abajo, se requiere una conducción costosa del canal hasta las etapas en cascada, lo que conduce, además de a una realización costosa, también a un sistema de pilas de combustible de gran volumen.

Se conoce por la publicación WO 02/27849 A1, dejar que la última etapa en cascada, correspondiente, sea recorrida por otro gas de trabajo fresco de tal manera, que el gas de trabajo residual sea consumido por completo. Por otra parte, las últimas etapas en cascada respectivas para ambos gases de trabajo son monitorizadas eléctricamente de forma independiente. También, en este caso, se requiere una conducción costosa del canal, que conduce a un sistema de pilas de combustible de gran volumen.

El objeto de la presente invención consiste en proporcionar un sistema de pilas de combustible, que pueda ser construido de forma compacta.

Esta tarea se resuelve por medio de un sistema de pilas de combustible del tipo citado al principio, en el que, de conformidad con la invención, la última etapa en cascada en la corriente de gas de trabajo, está dispuesta en el espacio entre dos etapas en cascada precedentes en la corriente de gas de trabajo. Por medio de esta disposición de las etapas en cascada puede ser aprovechado de manera efectiva un recinto, que está dispuesto alrededor de las pilas de combustible, para llevar a cabo un tendido de tuberías o bien para llevar a cabo una disposición de los canales de gas de trabajo.

Las etapas en cascada pueden estar dispuestas directamente de manera sucesiva. En una etapa en cascada es recorrida una pluralidad de pilas de combustible paralelamente por un gas de trabajo. En este caso se denominan como gas de trabajo tanto el gas que contiene oxígeno así como también el gas que contiene hidrógeno.

La invención parte en este caso del razonamiento de que se ha acreditado para un funcionamiento fiable una disposición en el espacio de tal manera que la segunda etapa en cascada se encuentra a continuación de la primera etapa en cascada, a continuación la tercera, a continuación la cuarta, etc. Desde luego, esta disposición en el espacio de las etapas en cascada conduce a que en la última etapa en cascada pasa una pluralidad de tuberías o bien de canales de tal manera, que en la misma existe una mayor necesidad de espacio. Una conducción del canal con una disposición en el espacio conocida de este tipo de las etapas en cascada está representada en la figura 1 y se describe más adelante.

Por medio de la reordenación en el espacio de las etapas en cascada de tal manera, que el orden de prelación de la alineación en el espacio no corresponde al orden de prelación de paso a través de las etapa en cascada, puede ser distribuida de una manera más conveniente la conducción del canal a lo largo del sistema de pilas de combustible y en conjunto puede ahorrarse espacio.

La invención puede ser empleada, de una manera especialmente ventajosa, en un bloque de pilas de combustible, en el que las pilas de combustible están dispuestas en un bloque continuo. En este caso, están apilados de manera superpuesta soportes de las pilas de combustible planos, preferentemente rectangulares, que portan en su interior a las pilas de combustible y que presentan en su zona externa orificios, que forman los canales axiales cuando los soportes planos están ensamblados, cuyos canales axiales discurren en la dirección longitudinal del bloque de las pilas de combustibles. Cuanto mayor sea el número de canales necesario, tanto mayor es el número de orificios que debe presentar cada soporte y tanto mayor debe ser el soporte y tanto mayor debe ser el bloque de pilas de combustible. Por medio de un aprovechamiento efectivo de todos los canales axiales en el mayor número posible de zonas del canal puede llevarse a cabo la conducción del canal...

1. Sistema de pilas de combustible (66, 76), que comprende una pluralidad de pilas de combustible (8), que están reunidas para formar varias etapas en cascada (S₁, S₂, S₃, S₄, S₅), que están dispuestas en cascada en una corriente de gas de trabajo, estando dispuesta en el espacio una etapa en cascada (S₂, S₃, S₄, S₅) entre dos etapas en cascada (S₁, S₂, S₃, S₄) precedentes en la corriente de gas de trabajo, caracterizado porque la última etapa en cascada (S₄, S₅) en la corriente de gas de trabajo, está dispuesta en el espacio entre dos etapas en cascada (S₁, S₂, S₃) precedentes en la corriente de gas de trabajo.

2. Sistema de pilas de combustible (66, 76) según la reivindicación 1, caracterizado porque las pilas de combustible (8) están dispuestas en un bloque (16) continuo de pilas de combustible.

3. Sistema de pilas de combustible (66, 76) según la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque la última etapa en cascada (S₄, S₅) es una etapa de pila de purga.

4. Sistema de pilas de combustible (76) según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las etapas en cascada (S₁, S₂, S₃, S₄, S₅) están dispuestas en el espacio según el orden de prelación S₁, S_n, S₂, ..., S_n-1, siendo S₁ la primera etapa en cascada y siendo S_n la última etapa en cascada (S₁, S₅).

5. Sistema de pilas de combustible (66, 76) según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las pilas de combustible (8) están reunidas para dos gases de trabajo, respectivamente, hacia un lado de gas con, respectivamente, varias etapas en cascada (S₁, S₂, S₃, S₄, S₅), dispuestas en cascada.

6. Sistema de pilas de combustible (66, 76) según la reivindicación 5, caracterizado porque está dispuesta una etapa de pila de purga de un lado de gas en otras pilas de combustible (8) diferente de la etapa de pila de purga del otro lado de gas.

7. Sistema de pilas de combustible (66, 76) según la reivindicación 5 o 6, caracterizado porque está dispuesta una etapa de pila de purga de un lado de gas en pilas de combustible (8) de la primera o de la segunda etapa en cascada (S₁, S₂) del otro lado de gas.

8. Sistema de pilas de combustible (66, 76) según una de las reivindicaciones 5 a 7, caracterizado porque está dispuesta en el espacio, respectivamente, la primera etapa en cascada (S₁) de ambos lados de gas al comienzo de todas las etapas en cascada (S₁, S₂, S₃, S₄, S₅).

9. Sistema de pilas de combustible (66, 76) según una de las reivindicaciones 5 a 8, caracterizado porque la primera etapa en cascada (S₁), en la corriente de gas de trabajo, de ambos lados de gas, presenta varios canales para la alimentación de gas (72), que están dispuestos paralelamente, sirviendo su prolongación en el espacio en la dirección longitudinal como canales para la alimentación de gas (74) para otras etapas en cascada (S₂, S₃, S₄, S₅).

10. Sistema de pilas de combustible (76) según una de las reivindicaciones 5 a 9, caracterizado porque las etapas en cascada (S₁, S₂, S₃, S₄, S₅) de ambos lados de gas están dispuestas en el espacio según el orden de prelación S₁, S_n, S₂, ..., S_n-1, siendo S₁ respectivamente la primera etapa en cascada y siendo S_n respectivamente la última etapa en cascada (S₁, S₅).