Pila de combustible reversible.

Un sistema de almacenamiento de calor y electricidad que comprende una pila de combustible reversible (15) que tiene un primer electrodo y un segundo electrodo separados por un electrolito conductor de iones,

y al menos dos cámaras adaptadas para contener reactivo y/o un producto de reacción, en donde:

el sistema está cerrado;

al menos un reactivo para su descarga es hidrógeno u oxígeno;

una de las cámaras es una cámara de hidrógeno (5) adaptada para contener hidrógeno y agua;

la pila de combustible (15) está contenida dentro de la cámara de hidrógeno (5); y

la pila de combustible (15) genera calor durante su funcionamiento y está rodeada de un material térmicamente aislante (20) y un regulador térmico (25) para permitir que la pila de combustible alcance y permanezca a su temperatura de trabajo óptima y para garantizar que el agua se encuentra en forma de vapor.

Pila de combustible reversible

Campo de la invención

La presente invención se refiere a una pila de combustible y en particular a una pila de combustible reversible.

Antecedentes de la invención

Una combinación de precios impredecibles del petróleo, el calentamiento global y un sistema de red eléctrica antiguo, y con frecuencia mal planteado, en países como Estados Unidos y Reino Unido impone muchas exigencias sobre la generación y distribución de electricidad. Un problema particular es el de cómo garantizar que el suministro pueda satisfacer la demanda. Esto es debido a que la red eléctrica con frecuencia tiene poca o ninguna capacidad de almacenamiento de electricidad. Por tanto, se debe prever la demanda en todo momento y se debe poner en línea o fuera de línea la generación de recursos en consecuencia. Esto da lugar a la necesidad de una capacidad de generación adicional en el sistema, la denominada reserva sincronizada.

Actualmente existen pocas opciones disponibles para el almacenamiento de electricidad a gran escala. Las opciones habituales para el almacenamiento de electricidad a escala de red incluyen esquemas hidráulicos bombeados y sistemas de almacenamiento de energía de aire comprimido (CAES) . Los sistemas hidráulicos bombeados en general suponen la construcción de una presa y un depósito en altura con una instalación de generación hidráulica a una altura inferior. Durante los periodos de baja demanda, la electricidad se toma de la red y se usa para bombear agua hacia el depósito, que se libera entonces para poner las turbinas en funcionamiento durante el periodo de demanda máxima. No obstante, estos sistemas requieren ciertas características geológicas que limitan el ámbito de su aplicación. Además, puede haber un impacto ambiental adverso tales como inundación de terrenos.

Otra solución de almacenamiento es el uso de grupos de baterías. Con frecuencia son adecuados para reservas localizadas a pequeña escala, tales como para suministros ininterrumpidos de energía (SIE) para instalaciones clave o equipos sensibles tales como hospitales o servidores de ordenador. Se han usado grandes grupos de baterías de hidruro de níquel metálico (NiMH) para reservas de red en comunidades aisladas, tales como la probada recientemente en Fairbanks, Alaska. No obstante, estos grupos son caros de instalar, requieren el mantenimiento y control de muchas pilas, y generan cantidades importantes de calor de baja calidad que es difícil de utilizar. También pueden sufrir auto-descarga y tienen un ciclo de vida limitado antes de que las baterías se deban reemplazar.

Una opción adicional es el uso de pilas de flujo, con frecuencia denominadas baterías redox. Estas usan la circulación constante de dos electrolitos, cada uno que contiene una mitad de un par redox reversible a través de pilas eléctricas. La electricidad se puede almacenar conduciendo una corriente a través de las pilas para reducir electroquímicamente un electrolito mientras se oxida el otro. Cuando se necesita corriente, la corriente aplicada se elimina y el proceso de reducción/oxidación se invierte para proporcionar corriente.

A pesar de que estos sistemas proporcionan una solución eficaz y flexible de almacenamiento de energía a gran escala, presentan algunas desventajas significativas. Por ejemplo, algunos usan materiales peligrosos que requieren sistemas de seguridad masivos y caros. Además, adolecen de una baja densidad de energía debido a la mala 45 solubilidad de los componentes reactivos, efectos de transporte de masa debido a los materiales activos que se encuentran en solución y problemas debido a la auto-descarga provocada por el paso del material activo a través de las membranas de la pila.

Las pilas de combustible también se pueden usar para el almacenamiento de electricidad. Las pilas de combustible hacen reaccionar electroquímicamente dos materiales combustibles que se suministran de forma continua a la pila para generar electricidad. Hay muchos posibles pares electroactivos que se pueden usar en pilas de combustible tales como etanol/oxígeno y metano/oxígeno. El más atractivo desde el punto de vista medioambiental es la pila de hidrógeno/oxígeno. Esta utiliza la reacción electroquímica de hidrógeno y oxígeno para producir agua generando calor como subproducto. Este sistema tiene la ventaja de que todos los productos producidos se pueden usar y en 55 general son favorables para el medio ambiente.

A pesar de que algunos de los reactivos usados en las pilas de combustible, tales como el oxígeno, se pueden extraer de la atmósfera, otros, como el hidrógeno, se han de producir. Esto se puede realizar in situ o fuera de sitio con el transporte del hidrógeno hacia su lugar de uso, con frecuencia en forma licuada para maximizar la cantidad transportada por lote. Un método habitual de producción de hidrógeno es la electrólisis de agua. Esto en general supone el paso de una corriente entre electrodos catalíticamente activos para separarla en hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno se seca y se comprime en tanques de almacenamiento. Cuando se necesita, el hidrógeno se pasa a la pila de combustible en donde se hace reaccionar electroquímicamente con el oxígeno del aire para proporcionar electricidad. Un problema con este tipo de sistema es que es razonablemente complejo, puesto que necesita una 65 fuente de agua pura, un electrolizador, compresores, secadores, tanques de almacenamiento, la pila de combustible y sus equipos auxiliares, y sensores y equipos de control suficientes para integrar el sistema.

Miliken et al., en "Low cost, high efficiency reversible fuel cell systems", Proceedings of the 2002 US DOE Hydrogen Program Review NREL/CP-610-32405, describen un sistema de pila de combustible-electrolizador que emplea un proceso electroquímico a base de óxido sólido a alta temperatura para producir electricidad a partir de combustibles hidrocarbonados convencionales, además de hidrógeno. En modo electrolizador, el sistema usa la electricidad y la energía térmica para convertir agua pura en combustible. En modo pila de combustible, el sistema funciona de forma pasiva. El oxígeno se obtiene del aire y el agua caliente producida se considera un subproducto útil. En modo electrolizador, el sistema funciona con agua pura. El oxígeno producido durante el modo electrolizador se elimina mediante electrólisis a alta temperatura y el hidrógeno producido se usa en vehículos.

Sumario de la invención

En las reivindicaciones independientes se definen diversos aspectos de la presente invención. Algunas características preferidas se definen en las reivindicaciones dependientes.

De acuerdo con la reivindicación 1 se proporciona un sistema de almacenamiento de calor y electricidad que comprende una pila de combustible reversible.

De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención, se proporciona un sistema de almacenamiento de electricidad que comprende una pila de combustible reversible que tiene un primer electrodo y un segundo electrodos separados por un electrolito conductor de iones, y al menos dos cámaras adaptadas para contener combustible y/o un producto de reacción, cada cámara que está en comunicación pasiva con la pila de combustible, en la que el sistema está esencialmente cerrado. Los reactivos son hidrógeno y oxígeno.

Al usar una configuración de pila de combustible reversible y cerrada, se proporciona un medio seguro, pasivo y muy eficiente para almacenar y generar electricidad.

Cada cámara puede estar en comunicación pasiva con la pila de combustible. El combustible y el producto de reacción dentro de cada cámara pueden estar en comunicación fluida con la pila de combustible.

Preferentemente, al menos una de las cámaras es una cámara de gas a alta presión.

La pila puede ser una pila de combustible de óxido sólido. La pila puede ser tubular. El electrolito puede ser zirconia estabilizada con itrio. La pila se puede producir usando un método de colado en cinta.

El sistema puede incluir un sistema de refrigeración para retirar el calor. Preferentemente, este está conectado a algún sistema externo, por ejemplo, un sistema calefactor de manera que el calor extraído por el refrigerador se pueda reutilizar en otra parte.

Una de las cámaras puede estar montada dentro de la otra cámara.

Una o más de las cámaras pueden estar separadas o fuera de la pila.

Un combustible puede ser una fuente fundida o sólida de oxígeno. La fuente fundida o sólida de oxígeno puede 45 contener un óxido de cinc, plomo, estaño o antimonio.

De acuerdo con un segundo aspecto de la presente invención se trata de un sistema de almacenamiento combinado de energía... [Seguir leyendo]

1. Un sistema de almacenamiento de calor y electricidad que comprende una pila de combustible reversible (15) que tiene un primer electrodo y un segundo electrodo separados por un electrolito conductor de iones, y al menos dos 5 cámaras adaptadas para contener reactivo y/o un producto de reacción, en donde:

el sistema está cerrado; al menos un reactivo para su descarga es hidrógeno u oxígeno; una de las cámaras es una cámara de hidrógeno (5) adaptada para contener hidrógeno y agua; la pila de combustible (15) está contenida dentro de la cámara de hidrógeno (5) ; y la pila de combustible (15) genera calor durante su funcionamiento y está rodeada de un material térmicamente aislante (20) y un regulador térmico (25) para permitir que la pila de combustible alcance y permanezca a su temperatura de trabajo óptima y para garantizar que el agua se encuentra en forma de vapor.

2. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el que cada cámara está en comunicación pasiva con la pila de combustible.

3. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que el reactivo y el producto de reacción dentro de cada cámara están en comunicación fluida con la pila de combustible.

4. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la pila es una pila de combustible de óxido sólido.

5. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la pila es tubular. 25

6. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 4 o la reivindicación 5, en el que el electrolito es zirconia estabilizada con itrio.

7. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6, en el que la pila se produce usando un método de colado en cinta.

8. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores que tiene un sistema de refrigeración para extraer el calor del sistema.

9. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que una de las cámaras está montada dentro de la otra cámara.

10. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que al menos una de las cámaras está separada de la pila.

11. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que se suministra un reactivo mediante una fuente fundida o sólida de oxígeno.

12. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 11, en el que la fuente fundida o sólida de oxígeno contiene un 45 óxido de cinc, plomo, estaño o antimonio.

13. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en el que el sistema está configurado para mantener una temperatura de trabajo que se encuentra entre 800 ºC y 1000 ºC.

14. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 9 o cualquiera de sus reivindicaciones dependientes, en el que al menos una de las dos cámaras es una cámara de oxígeno (10) configurada para contener oxígeno y la cámara de hidrógeno (5) está contenida dentro de la cámara de oxígeno (10) .

15. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el material térmicamente

aislante (20) y el regulador térmico (25) están configurados para inducir un proceso de convección que permite que el gas caliente se expanda por encima del material aislante y el gas más frío sea succionado por la parte inferior.

16. Un sistema combinado de almacenamiento de calor y energía que tiene el sistema reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

17. Una red eléctrica que tiene al menos un sistema de almacenamiento de electricidad de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, medios de control y al menos un medio de generación de electricidad.

18. Un sistema de suministro de red eléctrica de acuerdo con la reivindicación 17, en el que el medio de control

controla el suministro de al menos parte de la electricidad generada por el medio de generación de electricidad hacia el/los sistema (s) de almacenamiento de electricidad o la extracción de electricidad del (de los) sistema (s) de 7

almacenamiento de electricidad.