Celda de humidificación.

Celda de humidificación (1) de un sistema de pilas de combustible (41) con una primera placa exterior (9a) y unasegunda placa exterior (9b),

en donde a partir de la primera placa exterior (9a), entre la primera placa exterior (9a) yla segunda placa exterior (9b), se encuentra dispuesta una cámara de gas (21), una cámara de agua dehumidificación (31) y una membrana (5) permeable al agua que separa ambas cámaras (21, 31), en donde entre laprimera placa exterior (9a) y la membrana (5), se encuentra dispuesto un primer elemento de soporte (7a)permeable al agua, y en donde el primer elemento de soporte (7a) está conformado por una tela filtrante,caracterizada porque la tela filtrante y la membrana (5) se encuentran adaptadas entre sí, en relación con su grosory con el diámetro (D) de sus poros (51), y en relación con la rigidez de dicha membrana, y a la presión en lascámaras (21, 31) que limitan con la membrana (5), de manera que durante el funcionamiento de la celda dehumidificación (1), no se comprima la membrana (5) a través de los poros (51) y no entre en contacto con la placaexterior (9a ó 9b), en donde la tela filtrante presenta poros con un diámetro que presenta una proporción en relacióncon el grosor de la tela filtrante, de 1:2 a 1:5, particularmente de 1:3 a 1:4.

Celda de humidificación La presente invención hace referencia a una celda de humidificación de acuerdo con el concepto general de la reivindicación 1. Una celda de humidificación de esta clase se conoce, por ejemplo, a partir de la patente EP 1 435 121 B1.

En una pila de combustible, se genera una corriente eléctrica con un elevado rendimiento, mediante la combinación electroquímica de hidrógeno (H2) y oxígeno (O2) en un electrolito para obtener agua (H2O) . La transformación técnica de dicho principio de la pila de combustible, ha conducido a diferentes soluciones, es decir, con diferentes electrolitos y temperaturas de funcionamiento de entre 60°C y 1000°C. En relación con su temperatura de funcionamiento, las pilas de combustible se dividen en pilas de combustible de baja temperatura, de temperatura media y de alta temperatura, que se diferencian entre sí en primer lugar por presentar diferentes formas de ejecución técnicas.

Las pilas de combustible de un conjunto de pilas de combustible, durante su funcionamiento se alimentan con gases de trabajo, es decir, un gas de combustión que contiene hidrógeno, y un gas de oxidación que contiene oxígeno. Algunas formas de ejecución de pilas de combustible de baja temperatura, particularmente las pilas de combustible con una membrana de electrolito polimérico (pilas de combustible PEM) , requieren de gases humidificados para su funcionamiento. Dichos gases de trabajo, se saturan con vapor de agua en un dispositivo apropiado, como por ejemplo, un compresor de anillo líquido o un humidificador de membrana. El dispositivo humidificador y eventualmente otros dispositivos de alimentación, conforman junto con el conjunto de pilas de combustible, un sistema de pilas de combustible.

En el caso de que los gases de trabajo se conduzcan a través de conductos de alimentación prolongados para los gases de trabajo, desde el humidificador hacia el conjunto de pilas de combustible, la temperatura de un gas de trabajo humidificado puede descender mediante la pérdida de calor hacia el medio ambiente. Dicho proceso conduce a la condensación de agua de humidificación. A continuación, los gases de trabajo se calientan nuevamente en las pilas de combustible, con lo cual se reduce su humedad relativa. De esta manera, se daña el electrolito que se debe mantener siempre húmedo y que es sensible a la sequedad, y de esta manera se reduce su durabilidad. Por lo tanto, resulta conveniente que el humidificador se encuentre dispuesto lo más próximo posible a las pilas de combustible.

A partir de la patente EP 1 435 121 B1 se conoce un bloque de pilas de combustible con un apilamiento de pilas de combustible planas, y un apilamiento de celdas de humidificación planas. Ambos apilamientos se encuentran dispuestos de manera directamente adyacente en el bloque de pilas de combustible. Las celdas de humidificación se conforman como humidificadores de membrana, en los cuales, partiendo de una primera placa exterior, entre la primera placa exterior y una segunda placa exterior, se encuentran dispuestas una cámara de gas, una cámara de agua de humidificación y una membrana permeable al agua que separa ambas cámaras, en donde entre la membrana y la primera placa exterior se encuentra dispuesto un elemento de soporte permeable al agua.

Antes de que los gases de trabajo se suministren a las pilas de combustible del apilamiento de pilas de combustible, dichos gases circulan a través de las celdas de humidificación y en dicho lugar se humidifican, y a continuación circulan sin abandonar el bloque de pilas de combustible, hacia el apilamiento de pilas de combustible.

En la cámara de agua de humidificación, es decir, a un lado de la membrana, circula el agua de humidificación, y en la cámara de gas, es decir, del otro lado de la membrana, circula el gas de trabajo a través de conductos que se encuentran incorporados en la respectiva placa exterior. Para evitar que a lo largo de las nervaduras de las placas exteriores, la membrana se encuentre cubierta por dichas nervaduras, de manera que no pueda llegar agua de humidificación o bien, gas de trabajo a la membrana, entre la membrana y una o ambas placas exteriores, se encuentra dispuesto respectivamente un elemento de soporte permeable al agua. De esta manera, la membrana se mantiene distanciada en la zona del elemento de soporte en relación con la placa exterior y, de esta manera, se garantiza que el agua de humidificación o bien, el gas de trabajo puedan llegar a una gran superficie de la membrana, con lo cual se incrementa la capacidad de humidificación. Dicha característica resulta particularmente importante cuando se utilizan estructuras de grandes superficies en la placa exterior. De acuerdo con el lado de la membrana en el que se encuentra dispuesto el elemento de soporte, el agua de humidificación penetra ya sea en primer lugar el elemento de soporte y a continuación la membrana, o en primer lugar la membrana y a continuación el elemento de soporte, y de esta manera llega al gas de trabajo a humidificar.

Al menos, el elemento de soporte entre la membrana y la segunda placa exterior, en este caso está conformado de manera ventajosa por papel carbón. El papel carbón es estable frente a los medios de trabajo utilizados o bien, frente al material de la membrana, y presenta preferentemente propiedades hidrófilas, es decir, que se humecta completamente mediante el agua. El papel carbón garantiza una humidificación óptima debido a la hidrofilia y a la

gran superficie, y las posibles gotas de agua generadas por la presión hidrostática, se distribuyen sobre la superficie y se arrastran en forma gaseosa en la cámara de gas mediante el flujo de gas. Las fuerzas mecánicas entre la membrana y la placa o las placas exteriores, son absorbidas de una manera óptima por el papel carbón, además se evita un contacto directo entre la membrana y la placa o las placas exteriores y, de esta manera, se evita la corrosión.

Se ha comprobado que en la utilización de papel carbón resulta desventajoso que en el caso de velocidades elevadas del gas a través del papel carbón, se puedan liberar fibras de carbón que pueden ser arrastradas por el flujo de gas. Dicha desventaja puede conducir a obstrucciones de pasos de gas estrechos para los flujos de los medios, hecho que puede presentar como consecuencia el fallo del sistema de pilas de combustible.

A partir de la patente JP 10 172 591 A se conoce un elemento de soporte reticulado compuesto por resina, que se encuentra dispuesto en contacto con una membrana de una pila de combustible. El elemento de soporte evita que ante un incremento de la presión de un lado de la membrana, dicha membrana se extienda hacia una cámara adyacente.

El objeto de la presente invención consiste en mejorar la acción del elemento de soporte conocido a partir del estado del arte.

Dicho objeto se resuelve mediante una celda de humidificación con las características de la reivindicación 1. Los acondicionamientos ventajosos son objeto respectivamente de las reivindicaciones relacionadas.

Conforme a la presente invención, el primer elemento de soporte permeable al agua, dispuesto entre la primera placa exterior y la membrana, no está conformado por papel carbón, sino por una tela filtrante. Como demuestran de manera sorprendente las mediciones, con una tela filtrante también se puede lograr una humidificación del gas del 100 %, sin que se arrastre agua en estado líquido hacia la cámara de gas mediante el gas de trabajo, en forma de gotículas de agua, hecho que puede conducir a limitaciones en la capacidad de funcionamiento de las pilas de combustible debido a la entrada de agua. Dado que la tela filtrante se obtiene mediante un proceso de tejido de una fibra y no de fibras cortas, no se pueden liberar fibras cortas como en el caso del papel carbón, que podrían generar obstrucciones en puntos estrechos críticos.

La tela filtrante y la membrana se encuentran adaptadas entre sí, en relación con el grosor y con el diámetro de los poros de la tela filtrante, y en relación con la rigidez de la membrana, y a las presiones en las cámaras que limitan con la membrana, de manera que durante el funcionamiento de la celda de humidificación, la membrana no se comprima a través de los poros y no entre en contacto con la placa exterior. De esta manera, se pueden evitar perjuicios en la capacidad de humidificación y problemas de corrosión en el caso que se utilicen placas exteriores metálicas. La tela filtrante, a pesar de presentar poros, resulta similar al papel carbón correspondiente, en relación con su “compacidad”.

En este caso, se considera que mediante la presión del medio de trabajo hacia las cámaras adyacentes a la membrana (es decir, la... [Seguir leyendo]

1. Celda de humidificación (1) de un sistema de pilas de combustible (41) con una primera placa exterior (9a) y una segunda placa exterior (9b) , en donde a partir de la primera placa exterior (9a) , entre la primera placa exterior (9a) y la segunda placa exterior (9b) , se encuentra dispuesta una cámara de gas (21) , una cámara de agua de 5 humidificación (31) y una membrana (5) permeable al agua que separa ambas cámaras (21, 31) , en donde entre la primera placa exterior (9a) y la membrana (5) , se encuentra dispuesto un primer elemento de soporte (7a) permeable al agua, y en donde el primer elemento de soporte (7a) está conformado por una tela filtrante, caracterizada porque la tela filtrante y la membrana (5) se encuentran adaptadas entre sí, en relación con su grosor y con el diámetro (D) de sus poros (51) , y en relación con la rigidez de dicha membrana, y a la presión en las cámaras (21, 31) que limitan con la membrana (5) , de manera que durante el funcionamiento de la celda de humidificación (1) , no se comprima la membrana (5) a través de los poros (51) y no entre en contacto con la placa exterior (9a ó 9b) , en donde la tela filtrante presenta poros con un diámetro que presenta una proporción en relación con el grosor de la tela filtrante, de 1:2 a 1:5, particularmente de 1:3 a 1:4.

2. Celda de humidificación (1) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque entre la membrana (5) y la segunda placa exterior (9b) , se encuentra dispuesto un segundo elemento de soporte (7b) permeable al agua, que está conformado preferentemente también por una tela filtrante.

3. Celda de humidificación (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la tela filtrante está conformada por un material plástico.

4. Celda de humidificación (1) de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizada porque el material plástico está 20 compuesto por un polipropileno o por un poliéster.

5. Celda de humidificación (1) de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizada porque el material plástico está compuesto por un plástico de alto rendimiento, particularmente poliéter éter cetona (PEEK) o polisulfona (PSU) .

6. Celda de humidificación (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la tela filtrante presenta poros con un diámetro de 50 !m a 150 !m, particularmente de 90 !m a 110 !m.

7. Celda de humidificación (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la tela filtrante presenta un grosor de 200 !m a 500 !m, particularmente de 300 !m a 400 !m.

8. Celda de humidificación (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones 2 a 7, caracterizada porque la primera placa exterior (9a) , el primer elemento de soporte (7a) , la membrana (5) , el segundo elemento de soporte (7b) y la segunda placa exterior (9b) , se encuentran respectivamente en contacto unos con otros.