Gestión del agua en pilas de combustible.

Un método de operar un apilamiento de pilas electroquímicas de combustible que comprende unapluralidad de pilas cada una de ellas con un ánodo,

una membrana de transferencia de iones y un cátodo,comprendiendo los pasos de:

suministrar combustible fluido a canales de flujo de fluido dentro de los ánodos;

suministrar oxidante de fluido a canales de flujo de fluido dentro de los catódos;

expulsar subproductos de reacción y cualquier oxidante sin utilizar de los canales de flujo de fluidodentro de los catódos;

determinar un máximo de voltaje del apilamiento, o en cada voltaje de pila, como una función delcaudal de agua líquida para cada una de una pluralidad de corrientes de apilamiento o pila quecorresponde a un intervalo normal de condiciones de operación del apilamiento o pila,determinar una función de calibración que expresa el caudal mínimo de agua líquida como una funciónde la corriente y/o estequimetría del aire; y

suministrar al menos dicho caudal mínimo de agua, para la corriente sacada de dicho apilamiento ocada pila y/o para la estequimetría del aire, como se determina por la función de calibración, a loscanales de flujo de fluido dentro de los catódos de modo que se mantenga una humedad relativa del100 % por todos los canales de flujo de fluido.

Gestión del agua en pilas de combustible.

La prón se refiere a pilas electroquímicas de combustible, tal como pilas de combustible de electrolito de polímero sólido, que convierten combustible y oxidante en energía eléctrica y un producto de reacción.

Se muestra una disposición típica de pila convencional de combustible 10 en la figura 1 que, por claridad, ilustra las diversas capas de forma despiezada. Una membrana de transferencia de iones de polímero sólido 11 está encajada entre un ánodo 12 y un cátodo 13. Normalmente, tanto el ánodo 12 como el cátodo 13 están formados de un material poroso eléctricamente conductor tal como carbono poroso, al que están unidas pequeñas partículas de platino y/u otro catalizador de metal precioso. El ánodo 12 y el cátodo 13 están a menudo unidos directamente a las respectivas superficies contiguas de la membrana 11. Esta combinación es referida comúnmente como conjunto membrana-electrodo, o MEA.

Encajando las capas de membrana de polimero y de electrodo poroso está un placa de campo de flujo fluido de ánodo 14 y una placa de campo de flujo fluido de cátodo 15. Capas intermedias de respaldo 12a y 13a pueden emplearse también entre la placa de campo de flujo fluido de ánodo y el ánodo 12 y de modo parecido entre el placa de campo de flujo fluido de cátodo 15 y el cátodo13. Las capas de respaldo son de naturaleza porosa y fabricadas de tal modo que aseguren la difusión eficaz de gas a y desde las superficies del ánodo y cátodo así como asistir en la gestión de vapor de agua y agua líquida. .

Las placas de campo de flujo fluido 14, 15 se forman a partir de un material electricamente conductor no poroso por el cual puede hacerse el contacto eléctrico al respectivo electrodo de ánodo 12 o electrodo de cátodo 13. Al mismo tiempo, las placas de campo de flujo de fluido deben facilitar el suministro y/o escape de combustible fluido, oxidante y/o producto de reacción a o desde los electrodos porosos. Esto se efectua convencionalmente formando pasajes de flujo de fluido en una superficie de las placas de campo de flujo de fluido, tal como ranuras o canales 16 en la superficie presentada a los electrodos porosos 12, 13.

Con referencia también a la figura 2 (a) , una configuración convencional de canal de flujo de fluido proporciona una estructura en zigzag 20 en una cara del ánodo 14 (o cátodo15) con un colector de admisión 21 y un colector de salida 22 como se muestra en la figura 2 (a) . Segúnl diseño convencional, se entenderá que la estructura en zigzag 20 comprende un canal 16 en la superficie de la placa 14 (o 15) , mientras que los colectores 21 y 22 cada uno de ellos comprende una abertura a través de la placa de tal modo que el fluido para suministrar a, o salir de, el canal 16 puede estar comunicado por toda la profundidad de un pila de placas en una dirección octogonal a la placa como particularmente se indica por la flecha en la sección A-A mostrada en la figura 2 (b) .

Otras aberturas de colector 23, 25 pueden proporcionarse para comunicación de combustible, oxidante, otros fluidos o escape a otros canales en las placas, no mostradas.

Los canales 16 en las placas de campo de flujo de fluido 14, 15 pueden estar abiertos por sus extremos en ambos lados, esto es, extendiéndose los canales entre un colector de admisión 21 y un colector de salida 22 como se muestra, permitiendo un continuo paso de fluido, normalmente utilizados para un combinado suministro de oxidante y escape de reactivo. Alternativamente, los canales 16 pueden cerrarse en un extremo, es decir, cada canal tiene comunicación con solamente un colector de admisión 21 para suministrar fluido, confiando totalmente en la trasferencia del 100% de material gaseoso dentro y fuera de los electrodos porosos del MEA. El canal cerrado normalmente puede utilizarse para suministrar combustible de hidrógeno al MEA 11-13 en una estructura de tipo peine.

Con referencia a la figura 3, se muestra en esta distribución una vista transversal de parte de un apilamiento de placas formando un conjunto convencional de pila de combustible 30. En esta disposición, las placas de campo de flujo de fluido del ánodo y cátodo se combinan de manera convencional para formar una placa única bipolar 31 con canales de ánodo 32 en una cara y canales de cátodo 33 en la cara opuesta, cada uno de ellos contiguo a un conjunto respectivo membrana-electrodo (MEA) 34. Las aberturas del colector de admisión 21 y las aberturas del colector de salida 22 están todas superpuestas para proporcionar los colectores de admisión y salida a todo el apilamiento. Los diversos elementos del apilamiento se muestran ligeramente separados por claridad, aunque se comprenderá que estarán comprimidos juntos utilizando juntas de sellado si se necesitara.

A fin de obtener alta y sostenida capacidad de suministro de energía desde una pila de combustible, es generalmente necesario mantener un alto contenido de agua dentro del conjunto membrana electrodo, y en particular dentro de la membrana.

En el estado de la técnica, esto es convencionalmente logrado humidificando los gases de alimentación, bien combustible, aire o ambos, alimentados a través de colectores 21, 22 o 23 y canales 16. En otras palabras, el agua en la fase de vapor (de aquí en adelante ‘agua gaseosa’) es introducida en los canales 16. Esto también puede contribuir, hasta cierto punto, a la gestión del calor dentro del conjunto de pila de combustible.

Otro método es suministrar agua en la fase líquida (en adelante ‘agua líquida’) directamente a la membrana 11, 34, por ejemplo directamente a las superficies de electrodos o dentro de los canales 16 o las placas bipolares 31. Esta técnica tiene la ventaja de no solamente suministrar el agua para mantener un alto contenido de agua en la membrana sino que también puede actuar para enfriar significativamente la pila de combustible por evaporación y extracción de calor latente de vaporización. Una descripción detallada de técnicas para introducir agua en a fase líquida directamente a las superficies de electrodos o dentro de los canales 16 se ha descrito en la solicitud de patente internacional nº. PCT/GB03/02973 (sin publicar en el momento de la presentación de la solicitud) . Partes relevantes de este documento son por tanto reproducidas aquí donde sea apropiado.

Este proceso directo de extracción del calor que proporciona la extracción de energía térmica por medio de la corriente de salida de gas tiene distintas ventajas asociadas con la eliminación de placas intermedias de refrigeración dentro del conjunto de apilamiento de pilas de combustible [0013] PCT/EP00/03171 describe una pila de combustible con sistema de enfriamiento basado en inyección directa de agua líquida. La pila de combustible comprende colectores los cuales pueden ser alimentados con una corriente de agua desmineralizada, cuyo caudal es regulado manualmente a fin de maximizar el voltaje de las pilas.

Es un objeto de la presente invención proporcionar un método y aparato para proporcionar funcionamiento mejorado de un apilamiento de pilas de combustible enfriado por evaporación mediante introducción de exceso de agua en los canales 16 del electrodo de cátodo.

Según un aspecto, la presente invención proporciona un método de operar un apilamiento de pilas electroquímica de combustible según la reivindicación 1.

Según otro aspecto, la presente invención proporciona un conjunto de pila electroquímica de combustible según la reivindicación 13.

Serán descritas ahora realizaciones de la presente invención a modo de ejemplos y con referencia a los dibujos acompañantes en los cuales:

La Figura 1 muestra una vista esquemática en sección a través de una parte de una pila de combustible convencional;

Las Figuras 2 (a) y 2 (b) muestran respectivamente una vista simplificada en planta y sección de una placa de campo de flujo de fluido de la pila de combustible de la figura 1;

La Figura 3 muestra una vista en sección a través de un apilamiento de pilas de combustible convencional con placas bipolares;

La Figura 4 (a) muestra una vista en planta de una placa de campo de flujo de fluido de una pila de combustible con un conducto del fluido en zigzag; mostrando en trazos la posición superpuesta de una lámina de distribución de agua y una lámina de cubierta;

La Figura 4 (b) muestra una vista en planta de una placa de campo de flujo de fluido de pila de combustible con conducto de fluido interdigitado en forma de peine, mostrando en trazos la posición superpuesta de una lámina de distribución de agua y una lámina de cubierta;

La Figura 5 muestra una vista en planta de una... [Seguir leyendo]

1. Un método de operar un apilamiento de pilas electroquímicas de combustible que comprende una pluralidad de pilas cada una de ellas con un ánodo, una membrana de transferencia de iones y un cátodo, comprendiendo los pasos de:

suministrar combustible fluido a canales de flujo de fluido dentro de los ánodos;

suministrar oxidante de fluido a canales de flujo de fluido dentro de los catódos;

expulsar subproductos de reacción y cualquier oxidante sin utilizar de los canales de flujo de fluido dentro de los catódos;

determinar un máximo de voltaje del apilamiento, o en cada voltaje de pila, como una función del caudal de agua líquida para cada una de una pluralidad de corrientes de apilamiento o pila que corresponde a un intervalo normal de condiciones de operación del apilamiento o pila,

determinar una función de calibración que expresa el caudal mínimo de agua líquida como una función de la corriente y/o estequimetría del aire; y

suministrar al menos dicho caudal mínimo de agua, para la corriente sacada de dicho apilamiento o cada pila y/o para la estequimetría del aire, como se determina por la función de calibración, a los canales de flujo de fluido dentro de los catódos de modo que se mantenga una humedad relativa del 100 % por todos los canales de flujo de fluido.

2. El método de la reivindicación 1 que incluye además el paso de incrementar la cantidad de agua líquida suministrada como una función de la corriente de la pila o apilamiento para mantener un factor de agua WF > 1, 0 para todas las corrientes dentro de un intervalo normal de operación de la pila o apilamiento.

3. El método de la reivindicación 1 en el que la función de calibración está determinada por estequimetría de aire en el intervalo 1, 1 a 10.

4. El método de la reivindicación 3 en el que la función de calibración está determinada por estequimetría de aire en el intervalo 1, 4 a 4, 0.

5. El método de cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que el paso de suministrar una cantidad suficiente de agua líquida comprende el suministro de un factor de agua de al menos 1, 5.

6. El método de la reivindicación 5 en el cual el paso de suministrar una cantidad suficiente de agua líquida comprende el suministro de un factor de agua de al menos 3.

7. El método de la reivindicación 5 o la reivindicación 6 en el que el paso de suministrar una cantidad suficiente de agua líquida comprende el suministro de un factor de agua menor que 40.

8. El método de la reivindicación 7 en el que el paso de suministrar una cantidad suficiente de agua líquida comprende el suministro de un factor de agua en en el intervalo de 3 a 6.

9. El método de cualquiera de las reivindicaciones precedentes que incluye además el paso de permitir temporalmente el suministro de una cantidad de agua líquida a los canales de flujo de fluido dentro del cátodo de modo que se mantiene una humedad relativa de menos del 100 % cuando la temperatura de escape del cátodo está por debajo de un umbral predeterminado correspondiente a una temperatura subóptima de operación.

10. El método de la reivindicación 9 aplicado en la puesta en marcha de la pila de combustible o apilamiento de pilas de combustible.

11. El método de la reivindicación 1 en el que la pila de combustible es operada de tal modo que, para cualquier suministro medido de potencia de pila, el caudal de agua líquida dentro del cátodo y/o flujo de gas a través del cátodo son controlados para asegurar que haya más agua líquida en todas las regiones de la superficie del cátodo que la que pueda evaporarse en las condiciones de temperatura y presión imperantes.

12. El método de la reivindicación 11 aplicado a dicha pluralidad de pilas en un apilamiento de pilas de combustible que tiene un colector común de suministro de oxidante y un colector común de inyección de agua de tal modo que, para cualquier suministro medido de potencia del apilamiento, el caudal de inyección de agua líquida al colector de inyección de agua y/o el caudal de gas al colector de suministro de oxidante son controlados para asegurar que haya más agua líquida en todas las regiones de las superficies del cátodos de todas las pilas que la que puede evaporarse a las condiciones imperantes de temperatura y presión.

13. Un conjunto de pila electroquímica de combustible que comprende un apilamiento de pilas de combustible con una pluralidad de pilas, cada pila teniendo una placa de campo de flujo de fluido del ánodo con canales de flujo de fluido en ella, una membrana de transferencia de iones, y una placa de campo de flujo de fluido del cátodo con canales de flujo de fluido en ella; el conjunto comprendiendo además:

medios para suministrar combustible fluido a los canales de flujo de fluido del ánodo;

medios para suministrar oxidante fluido a los canales de flujo de fluido del cátodo;

un mecanismo de inyección de agua para suministrar agua líquida a los canales de flujo de fluido dentro del cátodo,

medios para determinar un máximo de voltaje del apilamiento, o de cada votaje de pila, en función del caudal de agua líquida para cada una de una pluralidad de corrientes de apilamiento o de pila que corresponde a un intervalo normal de condiciones de funcionamiento del apilamiento o pila,

medios para determinar una función de calibración que expresa el caudal mínimo de agua líquida como una función de corriente y/o estequiometría del aire; y un controlador adaptado para controlar el mecanismo de inyección de agua para suministrar al menos dicho caudal mínimo de agua, para la corriente extraida de dicho apilamiento o pila y/o para la estequimetría del aire, como se determina por la función de calibración de tal modo que una humedad relativa del 100 % se mantenga por todo los canales de flujo de fluido durante condiciones normales de operación del apilamiento de pilas de combustible.

14. El conjunto de la reivindicación 13 en el que el mecanismo de inyección de agua comprende una bomba y un controlador.

15. El conjunto de la reivindicación14 en el que el controlador incluye un sensor de voltaje para detectar voltaje de la pila de combustible o el apilamiento de pilas de combustible.

16. El conjunto de la reivindicación 15 en el que el controlador además incluye medios para determinar un máximo de voltaje de pila como una función del volumen del caudal de agua líquida para cada una de las pluralidades de corrientes normales de operación de pila o apilamiento de pilas.

17. El conjunto de la reivindicación 13 que incluye además un sensor de corriente para detectar flujo de corriente a través de la pila de combustible o el apilamiento de pilas de combustible, y medios para controlar el caudal de inyección de agua para mantener el suministro de un factor de agua WF > 1, 0 para todas las corrientes de pila de combustible o apilamiento de pilas de combustible en dicho intervalo normal de operación.

18. El conjunto de la reivindicación 17 que incluye medios adaptados para controlar el caudal de inyección de agua para mantener el suministro de un factor de agua de al menos 1, 5.

19. El conjunto de la reivindicación 18 que incluye medios adaptados paa controlar el caudal de inyección de agua para mantener el suministro de un factor de agua de menos que 40.

20. El conjunto de la reivindicación 19 que incluye medios adaptados para controlar el caudal de inyección de agua para mantener el suministro de un factor de agua de al menos 3.

21. El conjunto de la reivindicación 20 que incluye medios adaptados para controlar el caudal de inyección de agua para mantener el suministro de un factor de agua en el intervalo de 3 a 6.

22. El conjunto de cualquiera de las reivindicaciones 13 a 21 que además incluye medios para permitir temporalmente el suminisro de una cantidad de agua líquida a los canales de flujo de fluido dentro del cátodo de tal modo que se mantenga una humedad relativa menor del 100 % cuando la temperatura de escape del cátodo esté por debajo de un umbral predeterminado correspondiente a una temperatura de operación subóptima.