Pila de combustible de dimensiones reducidas.

Pila de combustible que incluye un apilamiento (6) de celdas electroquímicas y placas de extremo (8) que aplicanuna fuerza de apriete sobre las celdas electroquímicas,

un sistema de gestión térmica constituido por un circuito decirculación de un fluido caloportador en el apilamiento (6), denominado circuito interior (10), y por un circuito decirculación del fluido caloportador en el exterior del apilamiento (6), denominado circuito exterior (12), conectándoseel circuito interior (10) y el circuito exterior (12) a nivel de al menos una de las placas de extremo (10), incluyendo elcircuito exterior (12) un primer subcircuito (12.1) provisto de un intercambiador térmico (14) y un segundo subcircuito(12.2) conectado directamente a la entrada del circuito interior (10), un dispositivo (16) para controlar la circulacióndel fluido caloportador en uno y/u otro de los subcircuitos (12.1, 12.2) en función de la temperatura de dicho fluido enla salida del circuito interior (10), caracterizada porque dicho dispositivo de control (16) está integrado en dicha placade extremo (8), y porque dicha placa de extremo incluye un paso de comunicación (15) entre el circuito interior (10) yuno de los subcircuitos (12.1), siendo dicho paso (15) perpendicular al plano de dicha placa de extremo (8) y un pasode comunicación (17) entre el circuito interior (10) y el otro subcircuito (12.2), extendiéndose dicho paso decomunicación (17) en el plano de la placa de extremo, y porque dicho dispositivo de control (16) es una válvula detres vías, de las cuales una vía de alimentación está conectada a la salida del circuito interior (10), una vía deescape está conectada a la entrada del primer subcircuito (12.1) y la otra vía de escape está conectada a la entradadel segundo subcircuito (12.2).

Pila de combustible de dimensiones reducidas La presente invención se refiere a una pila de combustible de dimensiones reducidas y con regulación térmica mejorada.

Una pila de combustible, para suministrar electricidad, se alimenta con gas carburante, por ejemplo hidrógeno en el caso de una pila del tipo de las pilas de combustible con membrana de intercambio de protones (PEMFC para “Proton Exchange Membrane Fuel Cell”) , y con gas comburente, por ejemplo aire u oxígeno. El funcionamiento de la pila de combustible tiene también como efecto producir energía térmica.

Por otra parte, el rendimiento electroquímico de la pila depende de la temperatura en el interior de la pila y esto se debe a la naturaleza de los materiales utilizados. Por consiguiente, esta temperatura debe ser controlada para conseguir un rendimiento lo más elevado posible. En efecto, si la temperatura de funcionamiento es demasiado baja, no se puede alcanzar el mejor rendimiento de funcionamiento de la pila de combustible, y si la pila experimenta una elevación de temperatura demasiado importante, pueden dañarse los materiales que constituyen la pila.

Ahora bien, como se ha explicado anteriormente, la pila genera calor durante su funcionamiento. Este calor debe por lo general ser evacuado para limitar la elevación de temperatura en el interior de la pila. En el caso de las pilas con densidades de potencia medianas a elevadas, se prevé por lo general la circulación de un fluido caloportador en el interior de la pila, este caloportador se enfría en el exterior de la pila circulando en un intercambiador térmico antes de circular de nuevo en la pila. La circulación del fluido caloportador se obtiene por lo general mediante una bomba.

Sin embargo, si durante el funcionamiento se pretende evacuar las calorías para evitar una elevación de la temperatura, durante el arranque de la pila se desea reducir la evacuación de las calorías para permitir la subida de temperatura del fluido y alcanzar una temperatura óptima de funcionamiento, que es del orden de 80ºC en el caso de las PEMFC.

El documento US 2007/0042247 A describe una pila de combustible provista de un sistema de gestión térmica, este sistema incluye un circuito exterior a la pila en el que el fluido caloportador se enfría en un intercambiador térmico. Se prevé una válvula termostática en este circuito en el exterior de la pila para gestionar la circulación del caloportador a la salida de la pila, y enviarlo en todo o parte hacia el intercambiador térmico. De este modo, si la temperatura del caloportador es inferior a la temperatura de funcionamiento deseada de la pila, el fluido caloportador

se reenvía a la pila sin haber sido enfriado.

Ahora bien, este sistema de gestión térmica puede ser muy voluminoso. En efecto, las pilas de combustible de mediana y gran potencia incluyen tantos más elementos cuanto más importante es la potencia deseada. La potencia térmica que se debe evacuar es por lo tanto más importante cuanto mayor es la densidad de potencia deseada. Por consiguiente, el circuito del fluido caloportador presenta secciones de paso importantes, lo que aumenta las dimensiones del conjunto.

Ahora bien, se recuerda que este tipo de pila está especialmente destinado a estar embarcado en vehículos como fuente de energía de propulsión. Por consiguiente, sus dimensiones son un punto importante.

El documento US 2002/0037447 describe un sistema de enfriamiento de una pila de combustible que incluye un circuito de circulación de un caloportador que emplea una válvula de tres vías que incluye dos vías de alimentación y una vía de escape. El documento US 2007/0287045 presenta una pila de combustible que incluye un intercambiador térmico integrado en el apilamiento de las celdas electroquímicas. El documento US 2005/0221149 presenta una pila de combustible que incluye un elemento de control de caudal, que abre y cierra un circuito de circulación de un fluido caloportador, integrado en una placa de extremo.

Por consiguiente un objeto de la presente invención es ofrecer una pila de combustible equipada con un sistema de gestión térmica de dimensiones reducidas respecto de los conjuntos del estado de la técnica.

Un objeto de la presente invención es asimismo ofrecer una pila de combustible equipada con un sistema de gestión térmica cuyas condiciones de temperatura óptimas al inicio del funcionamiento se alcanzan con mayor facilidad.

Exposición de la invención Los objetivos anteriormente mencionados se alcanzan mediante una pila de combustible que incluye un apilamiento de celdas electroquímicas entre dos placas de extremo que ejercen sobre el apilamiento una fuerza de apriete y un sistema de gestión térmica que incluye un circuito de circulación de un fluido caloportador en el interior del apilamiento, encontrándose la entrada y la salida del circuito en una de las placas bipolares, y un circuito de 65 circulación en el exterior del apilamiento que incluye un subcircuito destinado a garantizar un intercambio térmico entre el fluido y el entorno exterior, y un subcircuito destinado a reenviar directamente el fluido caloportador al interior

del apilamiento, medios para controlar el paso del fluido caloportador en el uno y/o el otro de los subcircuitos en función de la temperatura del fluido caloportador, estando dispuestos dichos medios en dicha placa de extremo.

De manera particularmente ventajosa, los medios de control están constituidos por una válvula termostática que 5 permite la comunicación hacia el uno y/o el otro de los subcircuitos en función de la temperatura del fluido caloportador.

Dicho de otro modo, los medios de regulación de la circulación del fluido se integran en la placa de extremo conectada a los subcircuitos, lo que reduce las dimensiones del conjunto.

La presente invención tiene entonces principalmente por objeto una pila de combustible que incluye un apilamiento de celdas electroquímicas y placas de extremo que aplican una fuerza de apriete sobre las celdas electroquímicas, un sistema de gestión térmica constituido por un circuito de circulación de un fluido caloportador en el apilamiento, denominado circuito interior, y por un circuito de circulación del fluido caloportador en el exterior del apilamiento, 15 denominado circuito exterior, conectándose el circuito interior y el circuito exterior al nivel de al menos una de las placas de extremo, incluyendo el circuito exterior un primer subcircuito provisto de un intercambiador térmico y un segundo subcircuito conectado directamente a la entrada del circuito interior, un dispositivo para controlar la circulación del fluido caloportador en el uno y/o el otro de los subcircuitos en función de la temperatura de dicho fluido en la salida del circuito interior, estando dicho dispositivo de control integrado en una de las placas de extremo.

Según una característica de la invención, dicha placa de extremo incluye un paso de comunicación entre el circuito interior y uno de los subcircuitos, estando dicho paso perpendicular al plano de dicha placa de extremo y un paso de comunicación entre el circuito interior y el otro subcircuito, extendiéndose dicho paso de comunicación en el plano de la placa de extremo.

Dicho dispositivo de control es una válvula de tres vías, de las que una vía de alimentación está conectada a la salida del circuito interior, una vía de escape está conectada a la entrada de un primer subcircuito y la otra vía de escape está conectada a la entrada del segundo subcircuito.

De manera ventajosa, dicha válvula de tres vías es una válvula termostática. Esta puede incluir un elemento cuyo volumen varía en función de la temperatura del fluido caloportador, un obturador axialmente móvil bajo la acción de dicho elemento en un tramo de canal situado entre la entrada del primer subcircuito y la entrada del segundo subcircuito, y dos asientos de válvula dispuestos a cada lado del obturador, cooperando el obturador con uno u otro de los asientos de válvula en función de la temperatura del fluido caloportador para obturar cada una de las vías de escape.

Por ejemplo, dicha placa de extremo incluye una cámara de recolección en la que desemboca la salida del circuito interior, estando la válvula termostática dispuesta sensiblemente en el centro de la misma, siendo la vía de admisión de dicha válvula tal que el fluido caloportador que penetra en dicha válvula rodea el elemento cuyo volumen varía en función de la temperatura.

La cámara de recolección puede presentar la forma de un conducto axial, conectándose el circuito interior lateralmente a dicha cámara de recolección, desplazándose el obturador ortogonalmente al eje... [Seguir leyendo]

1. Pila de combustible que incluye un apilamiento (6) de celdas electroquímicas y placas de extremo (8) que aplican una fuerza de apriete sobre las celdas electroquímicas, un sistema de gestión térmica constituido por un circuito de 5 circulación de un fluido caloportador en el apilamiento (6) , denominado circuito interior (10) , y por un circuito de circulación del fluido caloportador en el exterior del apilamiento (6) , denominado circuito exterior (12) , conectándose el circuito interior (10) y el circuito exterior (12) a nivel de al menos una de las placas de extremo (10) , incluyendo el circuito exterior (12) un primer subcircuito (12.1) provisto de un intercambiador térmico (14) y un segundo subcircuito (12.2) conectado directamente a la entrada del circuito interior (10) , un dispositivo (16) para controlar la circulación del fluido caloportador en uno y/u otro de los subcircuitos (12.1, 12.2) en función de la temperatura de dicho fluido en la salida del circuito interior (10) , caracterizada porque dicho dispositivo de control (16) está integrado en dicha placa de extremo (8) , y porque dicha placa de extremo incluye un paso de comunicación (15) entre el circuito interior (10) y uno de los subcircuitos (12.1) , siendo dicho paso (15) perpendicular al plano de dicha placa de extremo (8) y un paso de comunicación (17) entre el circuito interior (10) y el otro subcircuito (12.2) , extendiéndose dicho paso de comunicación (17) en el plano de la placa de extremo, y porque dicho dispositivo de control (16) es una válvula de tres vías, de las cuales una vía de alimentación está conectada a la salida del circuito interior (10) , una vía de escape está conectada a la entrada del primer subcircuito (12.1) y la otra vía de escape está conectada a la entrada del segundo subcircuito (12.2) .

2. Pila de combustible según la reivindicación 1, en la que dicha válvula de tres vías (16) es una válvula termostática.

3. Pila de combustible según la reivindicación anterior, en la que la válvula de tres vías (16) incluye un elemento (24) cuyo volumen varía en función de la temperatura del fluido caloportador, un obturador (18) axialmente móvil

bajo la acción de dicho elemento (24) en un tramo de canal situada entre la entrada del primer subcircuito (12.1) y la entrada del segundo subcircuito (12.2) , y dos asientos de válvula (20, 22) dispuestos a cada lado del obturador (18) , cooperando el obturador (18) con uno u otro de los asientos de válvula (20, 22) en función de la temperatura del fluido caloportador para obturar una u otra de las vías de escape.

4. Pila de combustible según la reivindicación anterior, en la que dicha placa de extremo (8) incluye una cámara de recolección (11) en la que desemboca la salida del circuito interior (10) , estando la válvula termostática (16) dispuesta sensiblemente en el centro de la misma, siendo la vía de admisión de dicha válvula (16) tal que el fluido caloportador que penetra en dicha válvula (16) rodea el elemento (24) cuyo volumen varía en función de la temperatura.

3.

5. Pila de combustible según la reivindicación anterior, en la que en la cámara de recolección (11) presenta la forma de un conducto axial, conectándose el circuito interior (10) lateralmente a dicha cámara de recolección, desplazándose el obturador (18) ortogonalmente al eje del conducto, estando la entrada del primer subcircuito (12.1) situada de un lado del eje del conducto y estando la entrada del segundo subcircuito (12.2) situada del otro lado del

eje del conducto.

6. Pila de combustible según la reivindicación anterior 4 o 5, en la que el eje de la cámara de recolección (11) es sensiblemente paralelo a un lado de la placa de extremo (8) , a proximidad de este lado, desembocando el canal transversal en el que se desplaza el obturador (18) axialmente por un extremo en dicho lado y se conecta a uno de 45 los subcircuitos, y desemboca en la cara de la placa de extremo (8) ortogonalmente a su eje y se conecta al otro subcircuito.

7. Pila de combustible según una de las reivindicaciones anteriores, siendo la pila del tipo PEMFC.