Procedimiento para alimentar con gas oxígenado un cátodo de una pila de combustible y pila de combustible que lo uitliza.

Pila de combustible (1) del tipo con membrana intercambiadora de protones y concebida para equipar unsubmarino,

que comprende un circuito de alimentación (6) con gas oxigenado del cátodo (3) conectado a una fuentede gas oxigenado rico en oxígeno (16) y un circuito de evacuación (7) del gas efluente del cátodo (3), estando elcircuito de evacuación del gas efluente prolongado hasta el circuito de alimentación con gas oxigenado aguas arribadel cátodo por un circuito de reciclaje (8), de manera que permita la alimentación del cátodo con una mezcla deoxígeno y de gas afluente reciclado, caracterizada porque el circuito de reciclaje (8) comprende un medio (13) pararealizar una aportación de gas neutro.

Procedimiento para alimentar con gas oxigenado un cátodo de una pila de combustible y pila de combustible que lo utiliza.

La presente invención se refiere a un procedimiento para alimentar con gas oxigenado un cátodo de una pila de combustible del tipo con membrana intercambiadora de protones según la reivindicación 1, así como a una pila de combustible que tiene un circuito de alimentación adaptado en consecuencia.

Las pilas de combustible para la producción de electricidad alimentadas con hidrógeno y con aire son bien conocidas en sí mismas. Estas pilas de combustible son unos dispositivos electroquímicos que comprenden en particular una membrana intercambiadora de protones dispuesta entre unos electrodos. Una de las caras de la membrana intercambiadora de protones está alimentada con gas oxigenado tal como aire, y el otro lado de la membrana intercambiadora de protones está alimentado con gas hidrogenado. El hidrógeno proporciona unos protones que atraviesan la membrana y reaccionan con el oxígeno del aire para producir agua. Esta reacción genera una producción de electricidad de tal manera que el lado de la membrana alimentado con aire constituye un cátodo y el lado de la membrana alimentado con hidrógeno constituye un ánodo. Una pila de combustible de este tipo, que consume el oxígeno del aire, produce electricidad y expulsa nitrógeno y agua. El documento US 2003/0157390 A1 describe un sistema que comprende una pila de este tipo, así como un dispositivo que permite aumentar el contenido en oxígeno del gas oxigenado que alimenta el cátodo con respecto al contenido de oxígeno del aire captado en el entorno.

En el caso en que dichas pilas de combustible se utilizan en unos ambientes confinados, el consumo de aire y la expulsión de nitrógeno pueden plantear problemas. Es el caso, en particular, cuando estas pilas se utilizan en unos submarinos o para ciertos equipos espaciales. Para dichas aplicaciones, el problema de alimentación con aire de las pilas plantea un problema, por una parte, porque las reservas de aire son limitadas, y por otra parte, en particular en el marco de las aplicaciones submarinas, porque la expulsión de nitrógeno enriquece la atmosfera con nitrógeno y por tanto la empobrece en oxígeno. Este empobrecimiento en oxígeno puede plantear problemas, en particular cuando la atmósfera es la que debe respirar una tripulación.

Se ha propuesto alimentar estas pilas de combustible mediante unas reservas de aire comprimido almacenadas en su proximidad, pero estas soluciones no son apropiadas puesto que son muy voluminosos y, en cualquier caso, expulsan nitrógeno a la atmósfera ambiente.

Para evitar este inconveniente, se ha propuesto utilizar unas pilas alimentadas por una reserva de oxígeno puro, lo cual tiene la ventaja de no expulsar nitrógeno, y por tanto no enriquecer con nitrógeno la atmosfera confinada. Pero esta solución adolece del inconveniente de necesitar la utilización de pilas especialmente concebidas para funcionar con oxígeno puro, que son particularmente costosas, y de las que el desgaste de las membranas intercambiadoras de protones, destinadas a funcionar normalmente en presencia de aire y no de oxígeno puro, es muy rápido.

El objetivo de la presente invención es proponer un medio para alimentar con gas oxigenado unas pilas de combustible con membrana intercambiadora de protones adaptado para funcionar en una atmósfera confinada con un gas oxigenado comparable al aire, que no necesita medios de almacenado voluminosos de aire comprimido o de gas equivalente, o que no expulsa o expulsa poco gas neutro tal como nitrógeno en la atmósfera que le rodea.

Con este fin, la invención tiene por objeto un procedimiento para alimentar con gas oxigenado el cátodo de una pila de combustible del tipo con membrana intercambiadora de protones según el cual se mezcla un gas rico en oxígeno tal como oxígeno puro y gas efluente del cátodo de manera que constituya una mezcla de alimentación del cátodo que contiene más de 60% de gas neutro. Se considera que un gas rico en oxígeno es un gas que contiene más de 60%, y preferentemente más de 80% de oxígeno.

Preferentemente, se atrampa el agua del gas efluente antes del reciclaje con el fin de que su humedad relativa permanezca inferior al 100%.

El gas neutro está constituido, por ejemplo, principalmente por nitrógeno y/o por dióxido de carbono.

Preferentemente, la mezcla está constituida de manera que contenga de 15% a 30% de oxígeno.

Preferentemente, se mezcla el oxígeno con todo el gas efluente del cátodo.

Con el fin de renovar el gas reciclado, se puede evacuar una parte del gas efluente reciclado e introducir gas o mezcla gaseosa neutra nueva.

En general, la presión de la mezcla de alimentación del cátodo es superior a la presión del gas afluente a la salida del cátodo y, antes de efectuar la mezcla, se aumenta la presión del gas efluente para obtener gas efluente a sobrepresión y se ajusta la presión de alimentación con oxígeno para que sea sustancialmente igual al gas afluente a sobrepresión.

Preferentemente, se regula el contenido de oxígeno de la mezcla de alimentación con oxígeno alrededor de una consigna en función de la potencia eléctrica proporcionada por la pila de combustible.

Para regular el contenido de oxígeno del mezclador de alimentación del cátodo, se puede medir el contenido de oxígeno de la mezcla de alimentación del cátodo y ajustar la presión de alimentación con oxígeno y la presión del gas efluente a sobrepresión en función de la diferencia entre la medición del contenido de oxígeno y la consigna de contenido de oxígeno del gas de alimentación del cátodo.

La invención se refiere asimismo a una pila de combustible del tipo con membrana intercambiadora de protones según la reivindicación 1 que comprende un circuito de alimentación con gas oxigenado del cátodo alimentado por una fuente de gas oxigenado rico en oxígeno y un circuito de evacuación del gas efluente del cátodo y un medio para realizar un complemento de gas neutro, en la que el circuito de evacuación del gas efluente está prolongado hasta el circuito de alimentación con gas oxigenado aguas arriba del cátodo, de manera que permita la alimentación del cátodo por una mezcla de oxígeno y de gas efluente reciclado.

Preferentemente, aguas arriba del punto de unión con el circuito de alimentación del cátodo, el circuito de gas efluente comprende un medio para evacuar agua contenida en un gas efluente, un medio para purgar por lo menos parcialmente el circuito de gas efluente, un medio para comprimir el gas efluente y el circuito de alimentación del cátodo comprende, aguas arriba del punto de unión con el circuito de gas efluente, un medio para ajustar la presión de alimentación con gas oxigenado.

El medio para comprimir el gas efluente es por ejemplo un sobrealimentador pilotable, el medio para ajustar la presión de alimentación con gas oxigenado rico en oxígeno es pilotable y, por ejemplo, es un descompresor pilotable. Preferentemente, un dispositivo para medir el contenido de oxígeno del gas de alimentación del cátodo está dispuesto sobre el circuito de alimentación del cátodo aguas abajo del punto de unión con el circuito de gas efluente reciclado.

El dispositivo de medición del contenido de oxígeno, el medio para ajustar la presión de alimentación de gas oxigenado y el medio para comprimir el gas efluente pueden estar conectados a un medio de mando y de regulación.

La fluente de gas oxigenado rico en oxígeno es por ejemplo una fuente de oxígeno y la fuente de gas neutro de complemento es una fuente de nitrógeno o de dióxido de carbono o de una mezcla de estos dos gases.

La invención se describirá ahora de forma más precisa pero no limitativa con respecto a la única figura adjunta que representa de forma esquemática un circuito de alimentación con gas oxigenado de una pila de combustible con membrana intercambiadora de protones.

En la figura, se ha representado de manera esquemática una pila de combustible referenciada generalmente por 1 y constituida por un compartimento anódico 2 y por un compartimento catódico 3 separados por un electrolito tal como una membrana intercambiadora de protones 4. El compartimento anódico 2 está alimentado con hidrógeno o con gas hidrogenado por una fuente 5 de un gas de este tipo. El compartimento catódico 3 está alimentado con gas oxigenado por el conjunto del circuito que será descrito ulteriormente.

Se observará que, en esta representación esquemática, la pila de combustible está constituida por un compartimento anódico separado de un compartimento catódico por una membrana intercambiadora... [Seguir leyendo]

1. Pila de combustible (1) del tipo con membrana intercambiadora de protones y concebida para equipar un submarino, que comprende un circuito de alimentación (6) con gas oxigenado del cátodo (3) conectado a una fuente de gas oxigenado rico en oxígeno (16) y un circuito de evacuación (7) del gas efluente del cátodo (3) , estando el circuito de evacuación del gas efluente prolongado hasta el circuito de alimentación con gas oxigenado aguas arriba del cátodo por un circuito de reciclaje (8) , de manera que permita la alimentación del cátodo con una mezcla de oxígeno y de gas afluente reciclado, caracterizada porque el circuito de reciclaje (8) comprende un medio (13) para realizar una aportación de gas neutro.

2. Pila de combustible según la reivindicación 1, caracterizada porque aguas arriba del punto de unión (9) del circuito de reciclaje (8) con el circuito de alimentación (6) del cátodo, el circuito de reciclaje (8) de gas efluente comprende un medio (10) para evacuar el agua contenida en el gas efluente, un medio (11) para purgar por lo menos parcialmente el circuito de gas efluente, y un medio (12) para comprimir el gas efluente, y porque el circuito de alimentación (6) del cátodo comprende, aguas arriba del punto de unión (9) con el circuito de reciclaje (8) de gas efluente, un medio (17) para ajustar la presión de alimentación de gas oxigenado.

3. Pila de combustible según la reivindicación 2, caracterizada porque el medio (12) para comprimir el gas efluente es un sobrealimentador pilotable, porque el medio (17) para ajustar la presión de alimentación de gas oxigenado es pilotable y, por ejemplo, es un descompresor pilotable, porque un dispositivo (18) para medir el contenido en oxígeno del gas de alimentación del cátodo está dispuesto sobre el circuito de alimentación del cátodo entre el punto de unión (9) con el circuito de gas efluente reciclado y el cátodo (3) , y porque el dispositivo (18) de medición del contenido en oxígeno, el medio (17) para ajustar la presión de alimentación de gas oxigenado y el medio (12) para comprimir el gas efluente están conectados a un medio (19) de mando y de regulación.

4. Pila de combustible según la reivindicación 2 o 3, caracterizada porque la fuente de gas oxigenado (16) es una fuente de oxígeno, y porque la fuente de gas neutro de complemento (13) es una fuente de nitrógeno o de dióxido de carbono o de una mezcla de estos dos gases.