Módulo de pila combustible que comprende: un apilamiento de pilas de combustible que incluye al menos una pila de combustible,

incluyendo cada pila de combustible un electrodo anódico, un electrodo catódico y un medio electrolítico dispuesto entre el electrodo anódico y el electrodo catódico, en el cual durante un funcionamiento normal el electrodo anódico está provisto de un primer reactivo y el electrodo catódico va provisto de una primera mezcla que contiene un segundo reactivo y un agente no reactivo, y en el cual el medio electrolítico permite que el agente no reactivo sea retirado a través del medio electrolítico en respuesta a un diferencial de presión, en el cual el apilamiento de pilas de combustible comprende un orificio de entrada de cátodo para suministrar la primera mezcla al electrodo catódico; un orificio de salida de cátodo para evacuar cantidades no reaccionadas del segundo reactivo, cantidades del agente no reactivo y productos de escape del electrodo catódico; un orificio de entrada de ánodo, que se puede conectar fluidamente al depósito de reactivo, y para suministrar el primer reactivo al electrodo anódico; y un orificio de salida de ánodo para evacuar cantidades no reaccionadas del primer reactivo y productos de escape del electrodo anódico; una carga parásita que se puede conectar a través los electrodos anódico y catódico; un depósito de reactivo, que se puede conectar al electrodo anódico, apropiado para un proceso de parada del módulo de pila de combustible con lo cual, en uso cuando está parado el módulo de pila de combustible, una cantidad almacenada casi estequiométrica del primer reactivo se extrae del depósito de reactivo y reacciona electroquímicamente con una cantidad del segundo reactivo que queda en el módulo de pila de combustible, para consumir electroquímicamente todas las cantidades del primer y del segundo reactivos, dejando de este modo una segunda mezcla que comprende sustancialmente el agente no reactivo. para el electrodo anódico, una válvula de entrada de ánodo conectada al orificio de entrada de ánodo y una válvula de salida de ánodo, una válvula de entrada de ánodo que corta un flujo del primer reactivo durante el proceso de parada, en el cual el depósito de reactivo se conecta al electrodo anódico entre la válvula de entrada de ánodo y la válvula de salida de ánodo, con lo cual en uso, cuando el módulo de pila de combustible está parado, a medida que el primer reactivo se consume en el electrodo anódico, el agente no reactivo se extrae a través del medio electrolítico para llenar el electrodo anódico

Reivindicación de Prioridad

La presente solicitud reivindica el beneficio de la solicitud provisional de los Estados Unidos nº 60/482010 (presentada el 25 de junio de 2003) y el beneficio de la solicitud provisional de los Estados Unidos nº 60/495091 (presentada el 15 de agosto de 2003). 5

Campo de la invención

La invención se refiere a pilas de combustible y, en particular, a la reducción del nivel de desgaste y degradación experimentado por algunos componentes de una pila durante periodos de parada y de reanudación.

Antecedentes de la invención

Una pila de combustible convierte la energía química almacenada en un combustible en una forma útil de energía, tal 10 como por ejemplo, electricidad. Un ejemplo de un tipo particular de pila de combustible es una pila de combustible de Membrana de Intercambio de Protones (PEM) que se puede utilizar para producir electricidad.

Una pila de combustible PEM típica incluye una membrana electrolítica dispuesta entre un electrodo anódico y un electrodo catódico. Se suministra combustible de hidrógeno al electrodo anódico y se suministra un oxidante al electrodo catódico. Dentro de la pila de combustible PEM el combustible de hidrógeno y el oxidante se emplean como 15 reactivos en un conjunto de reacciones electroquímicas complementarias que producen electricidad, calor y agua.

Un número de factores hace que se produzcan reacciones no deseadas incrementando el nivel de desgaste y degradación experimentadas por algunos componentes de una pila de combustible PEM. Por ejemplo, se sabe que pequeñas cantidades de combustible de hidrógeno y oxidante que permanecen dentro de una pila de combustible PEM, después del corte de los respectivos suministros de estos reactivos, se queman durante procesos de parada y 20 de reanudación. La combustión dentro de una pila de combustible PEM causa el deterioro de diversos componentes, incluyendo la membrana electrolítica y capas catalíticas depositadas sobre los electrodos. El deterioro acumulativo de diversos componentes reduce significativamente la eficacia de la pila de combustible PEM y puede conducir al fallo de la pila de combustible PEM.

Más específicamente, la combustión, en oposición al consumo electroquímico del hidrógeno y oxígeno, se produce 25 porque las condiciones dentro de un módulo de pila de combustible PEM empiezan a cambiar ya que los sistemas de soporte utilizables durante el funcionamiento normal (es decir, en estado “activo”) del módulo de pila de combustible conmutan a un estado “desactivado”. Puesto que las condiciones internas cambian, algunas moléculas de hidrógeno se difunden al lado catódico de la membrana y se queman en presencia de oxígeno. Asimismo, algunas moléculas de oxígeno se difunden a través de la membrana y reaccionan con el combustible de hidrógeno en el lado anódico de la 30 membrana. La difusión de hidrógeno a través de la membrana es de hecho más común (en ausencia de una presión diferencial de mando a través de la membrana) ya que las moléculas de hidrógeno son menores que las moléculas de oxígeno, y de este modo, se difunden más fácilmente por la membrana.

El documento US 2002/0182456 A1 describe un procedimiento de parada para un sistema de pila de combustible-hidrógeno-aire. El sistema se para desconectando la carga primaria, cortando el aire y controlando el flujo de 35 combustible dentro del sistema (incluyendo el corte de flujo de combustible) y el flujo de gas fuera del sistema de manera que da como resultado que los gases de apila de combustible se equilibran a través de las pilas. El sistema no ha incorporado un depósito de reactivo que proporciona una cantidad casi estequiométrica del combustible reactivo cuando se corta el flujo de combustible.

Otra reacción no deseada que se puede producir es la corrosión electroquímica de al menos una capa catalítica dentro 40 de una pila de combustible PEM. Esto deteriora, además, el rendimiento de una pila de combustible PEM.

Sumario de la invención

La invención se define mediante las reivindicaciones independientes. Otras realizaciones de la invención se definen en las reivindicaciones independientes.

Según un aspecto de una realización de la invención, se proporciona un módulo de pila de combustible que tiene: un 45 apilamiento de pilas de combustible que incluye al menos una pila de combustible, incluyendo cada pila de combustible un electrodo anódico, un electrodo catódico y un medio electrolítico dispuesto entre el electrodo anódico y el electrodo catódico, en la cual durante un funcionamiento normal el electrodo anódico está provisto de un primer reactivo y el electrodo catódico está provisto de una primera mezcla que contiene un segundo reactivo y un agente no reactivo; una carga parásita que se puede conectar a través los electrodos anódico y catódico; y un depósito de reactivo, que se 50 puede conectar al electrodo anódico, para almacenar una cantidad del primer reactivo apropiado para un proceso de

parada del módulo de célula de combustible, con lo cual, en uso cuando esta parado el módulo de célula de combustible, la cantidad almacenada del primer reactivo se extrae del depósito de reactivo y reacciona electroquímicamente con una cantidad del segundo reactivo que permanece en el módulo de pila de combustible, para consumir electroquímicamente todas las cantidades del primer y del segundo reactivos, dejando de este modo una segunda mezcla que comprende sustancialmente el agente no reactivo. 5

En algunas realizaciones, el depósito de reactivo se dimensiona para que una cantidad casi estequiométrica del primer reactivo almacenado en el depósito de reactivo para consumir electroquímicamente la cantidad del segundo reactivo restante en el módulo de pila de combustible durante el proceso de parada, para así impedir que se produzcan otras reacciones no deseadas y causar caídas de presión dentro del módulo de pila de combustible a medida que las cantidades restantes del primer y segundo reactivos se consumen electroquímicamente. 10

En algunas realizaciones, el depósito de reactivo se dimensiona de manera que la cantidad del primer reactivo almacenado en el depósito de reactivo sea inferior que lo suficiente para consumir electroquímicamente toda la cantidad del segundo reactivo restante en el módulo de pila de combustible durante el proceso de parada, para sí impedir que se produzcan reacciones no deseadas, y que se puede rellenar durante el proceso de parada de manera que casi toda la cantidad restante del segundo reactivo se consume electroquímicamente por cantidades adicionales 15 del primer reactivo añadido al depósito de reactivo durante el proceso de parada.

Según aspectos de otra realización de la invención, se proporciona un módulo de pila de combustible que tiene: una pila de combustible que incluye un primer electrodo, un segundo electrodo y un medio electrolítico dispuesto entre el primer electrodo y el segundo electrodo, en la cual durante un funcionamiento normal el primer electrodo está provisto de un primer reactivo y el segundo electrodo está provisto de una primera mezcla que contiene un segundo reactivo y 20 un agente no reactivo; una carga parásita que se puede conectar a través del primer y segundo electrodos; y un depósito de reactivo, que se puede conectar al primer electrodo, para almacenar una cantidad del primer reactivo apropiado para un proceso de parada del módulo de célula de combustible, con lo cual, en uso cuando esta parado el módulo de célula de combustible, la cantidad almacenada del primer reactivo se extrae del depósito de reactivo y reacciona electroquímicamente con una cantidad del segundo reactivo restante en el módulo de pila de combustible, 25 para consumir electroquímicamente todas las cantidades del primer y del segundo reactivos restantes, dejando de este modo una segunda mezcla que comprende sustancialmente el agente no reactivo.

Según aspectos de otra realización de la invención, se proporciona un procedimiento para parar una pila de combustible, incluyendo la pila de combustible un primer electrodo, un segundo electrodo y una membrana electrolítica dispuesta entre el primer electrodo y el segundo electrodo, en el cual durante un funcionamiento normal el primer 30 electrodo está provisto de un primer reactivo y el segundo electrodo está provisto de una primera mezcla que contiene un segundo reactivo y un agente no reactivo; comprendiendo el procedimiento detener un flujo entrante del primer reactivo... [Seguir leyendo]

1. Módulo de pila combustible que comprende:

un apilamiento de pilas de combustible que incluye al menos una pila de combustible, incluyendo cada pila de combustible un electrodo anódico, un electrodo catódico y un medio electrolítico dispuesto entre el electrodo anódico y el electrodo catódico, en el cual durante un funcionamiento normal el electrodo anódico está provisto 5 de un primer reactivo y el electrodo catódico va provisto de una primera mezcla que contiene un segundo reactivo y un agente no reactivo, y en el cual el medio electrolítico permite que el agente no reactivo sea retirado a través del medio electrolítico en respuesta a un diferencial de presión, en el cual el apilamiento de pilas de combustible comprende un orificio de entrada de cátodo para suministrar la primera mezcla al electrodo catódico; un orificio de salida de cátodo para evacuar cantidades no reaccionadas del segundo reactivo, 10 cantidades del agente no reactivo y productos de escape del electrodo catódico; un orificio de entrada de ánodo, que se puede conectar fluidamente al depósito de reactivo, y para suministrar el primer reactivo al electrodo anódico; y un orificio de salida de ánodo para evacuar cantidades no reaccionadas del primer reactivo y productos de escape del electrodo anódico;

una carga parásita que se puede conectar a través los electrodos anódico y catódico; 15

un depósito de reactivo, que se puede conectar al electrodo anódico, apropiado para un proceso de parada del módulo de pila de combustible con lo cual, en uso cuando está parado el módulo de pila de combustible, una cantidad almacenada casi estequiométrica del primer reactivo se extrae del depósito de reactivo y reacciona electroquímicamente con una cantidad del segundo reactivo que queda en el módulo de pila de combustible, para consumir electroquímicamente todas las cantidades del primer y del segundo reactivos, dejando de este 20 modo una segunda mezcla que comprende sustancialmente el agente no reactivo.

para el electrodo anódico, una válvula de entrada de ánodo conectada al orificio de entrada de ánodo y una válvula de salida de ánodo, una válvula de entrada de ánodo que corta un flujo del primer reactivo durante el proceso de parada, en el cual el depósito de reactivo se conecta al electrodo anódico entre la válvula de entrada de ánodo y la válvula de salida de ánodo, con lo cual en uso, cuando el módulo de pila de combustible 25 está parado, a medida que el primer reactivo se consume en el electrodo anódico, el agente no reactivo se extrae a través del medio electrolítico para llenar el electrodo anódico.

2. Módulo de pila de combustible según la reivindicación 1, en el cual el medio electrolítico es una membrana de intercambio de protones (PEM).

3. Módulo de pila de combustible según la reivindicación 2, en el cual el primer reactivo es hidrógeno, el segundo 30 reactivo es oxígeno llevado en el aire y el agente no reactivo es nitrógeno llevado en el aire.

4. Módulo de pila de combustible según la reivindicación 3, que comprende, además, un orificio de alimentación de hidrógeno en el cual la válvula de entrada de ánodo se puede conectar entre el orificio de alimentación de hidrógeno y el depósito de reactivo, para cortar un flujo de hidrógeno del orificio de alimentación de hidrógeno al orificio de entrada de ánodo durante el proceso de parada. 35

5. Módulo de pila de combustible según la reivindicación 1, 2, 3 o 4, que comprende, además, un soplador que se puede conectar entre el orificio de entrada de cátodo y una alimentación de aire para forzar el aire en el electrodo catódico durante el funcionamiento normal.

6. Módulo de pila de combustible según la reivindicación, en el cual el soplador está, además, configurado para impedir pasivamente, sin detener completamente, el flujo libre de aire en los electrodos catódicos durante el proceso de 40 parada.

7. Módulo de pila de combustible según la reivindicación 5 o 6, que comprende, además, una válvula de entrada de cátodo que se puede conectar entre el soplador y el orificio de entrada de cátodo para cortar un flujo de aire a través del soplador en el orificio de entrada de cátodo.

8. Módulo de pila de combustible según la reivindicación 7, que comprende, además, una válvula antirretorno que se 45 puede conectar entre el orificio de entrada de cátodo y la alimentación de aire, en el cual la válvula antirretorno se abre a un diferencial de presión predeterminado entre una presión interna en el electrodo catódico y una presión de alimentación de aire, y permanece cerrada cuando la presión interna y la presión de alimentación de aire son aproximadamente idénticas.

9. Módulo de pila de combustible según la reivindicación 7 u 8, que comprende, además, una válvula de salida de 50 cátodo que se puede conectar al orificio de salida de cátodo para cerrar de manera estanca el orificio de salida de cátodo durante el proceso de parada.

10. Módulo de pila de combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende, además:

una válvula antirretorno que se puede conectar entre el orificio de entrada de cátodo y el orificio de entrada de ánodo; y

en el cual la válvula antirretorno se abre a un diferencial de presión predeterminado entre una presión interna en el electrodo catódico y una presión interna en el electrodo anódico, y permanece cerrada cuando las presiones 5 internas son aproximadamente idénticas.

11. Módulo de pila de combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende, además, un orificio de escape que se puede conectar al orificio de salida de cátodo para impedir, sin detener completamente, un flujo libre de aire dentro del orificio de salida de cátodo.

12. Módulo de pila de combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende, además, un 10 dispositivo de control de flujo que se puede conectar al electrodo anódico para regular un flujo del primer reactivo proporcionado al electrodo anódico.

13. Módulo de pila de combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual el depósito de reactivo es uno de entre un recipiente, un recipiente presurizado y una longitud de tubería.

14. Módulo de pila de combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual el depósito de 15 reactivo se dimensiona para que una cantidad casi estequiométrica del primer reactivo se almacene en el depósito de reactivo para consumir electroquímicamente la cantidad del segundo reactivo restante en el módulo de pila de combustible durante el proceso de parada para así impedir que se produzcan otras reacciones no deseadas y causar caídas de presión respectivas dentro del módulo de pila de combustible a medida que las cantidades restantes del primer y el segundo reactivos se consumen electroquímicamente. 20

15. Módulo de pila de combustible según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, en el cual el depósito de reactivo se dimensiona para que la cantidad del primer reactivo almacenado en el depósito de reactivo sea inferior a lo suficiente para consumir electroquímicamente toda la cantidad del segundo reactivo restante en el módulo de pila de combustible durante el proceso de parada, para sí impedir que se produzcan reacciones no deseadas, y que se pueda rellenar durante el proceso de parada de manera que casi toda la cantidad restante del segundo reactivo sea 25 consumida electroquímicamente por cantidades adicionales del primer reactivo añadidas al depósito de reactivo durante el proceso de parada.

16. Módulo de pila de combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual la carga parásita comprende al menos uno de entre resistencias internas del módulo de pila de combustible y un elemento de resistencia externa. 30

17. Módulo de pila de combustible según la reivindicación 16, en el cual la carga parásita comprende una resistencia externa conectada permanentemente al apilamiento de pilas de combustible.

18. Procedimiento de parada de una pila de combustible, incluyendo la pila de combustible un primer electrodo, un segundo electrodo y una medio electrolítico dispuesto entre el primer electrodo y el segundo electrodo, en el cual durante el funcionamiento normal el primer electrodo está provisto de un primer reactivo y el segundo electrodo está 35 provisto de una primera mezcla que contiene un segundo reactivo y un agente no reactivo; comprendiendo el procedimiento

detener el flujo entrante normal del primer reactivo en el primer electrodo; cortar la alimentación eléctrica al soporte de equilibrio de los elementos de la planta;

extraer corriente a través de una carga parásita conectada a través del primer y segundo electrodos; 40

proporcionar una cantidad casi estequiométrica prealmacenada del primer reactivo para el consumo electroquímico de una cantidad restante de un segundo reactivo y proporcionar la cantidad prealmacenada del primer reactivo al primer electrodo;

permitir un flujo de entrada retardado de una cantidad de la primera mezcla en el segundo electrodo;

permitir que el agente no reactivo fluya desde el cátodo al electrodo a través del medio electrolítico; 45

en el cual la cantidad casi estequiométrica del primer reactivo reacciona electroquímicamente con la cantidad restante del segundo reactivo, dejando de este modo una segunda mezcla que comprende sustancialmente el agente no reactivo y que es suficiente para inertizar el ánodo y el cátodo con el agente no reactivo.

19. Procedimiento según la reivindicación 18, que incluye:

detener el flujo de entrada del primer reactivo cerrando las válvulas de entrada y de salida para el primer electrodo y proporcionar la cantidad casi estequiométrica del primer reactivo al primer electrodo entre la válvula de entrada y la válvula de salida.

20. Procedimiento según al reivindicación 18 o 19, que incluye proporcionar una carga parásita conectada permanentemente a la pila de combustible, con lo cual, durante el proceso de parada, la corriente generada por la pila 5 de combustible pasa a través de la carga parásita.

21. Procedimiento según la reivindicación 18, 19 o 20, que incluye proporcionar aire como primera mezcla, con oxígeno del aire que comprende el segundo reactivo y el nitrógeno del aire que comprende el agente no reactivo, comprendiendo el procedimiento, además, proporcionar una válvula antirretorno conectada al segundo electrodo, la válvula antirretorno que se abre para permitir el flujo de aire hacia el segundo electrodo y para mantener la presión 10 atmosférica al segundo electrodo.

22. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 18 a 21, que incluye proporcionar una cantidad del primer reactivo inferior a una cantidad casi estequiométrica en el depósito, y llenar el depósito durante el proceso de parada de la pila de combustible para permitir el consumo del segundo reactivo.

23. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 18 a 22, que incluye proporcionar una válvula 15 antirretorno entre los orificios de entrada para el primer y el segundo electrodos, abriéndose la válvula antirretorno en respuesta a un diferencial de presión durante el proceso de parada de la pila de combustible, para permitir que la primera mezcla fluya hacia el primer electrodo y garantizar la inertización del primer electrodo por el agente no reactivo después del consumo del segundo reactivo.