Unidad de celdas de combustible.

Unidad de celdas de combustible (2, 28) con

- varias celdas de combustible (4) ensambladas para formar un bloque,

- un canal longitudinal (6, 8, 30) axial que pasa por las celdas de combustible (4) para suministrar gas de funcionamiento a las celdas de combustible (4),

- unos pasos de unión (12, 14, 44, 46, 60), que unen el canal longitudinal axial (6, 8, 30) a las celdas de combustible (4) y, en función de su posición longitudinal en el canal longitudinal (6, 8, 30), están ejecutados con diferentes resistencias al flujo (Rhydr,9, Rhydr,13), en donde los pasos de unión (12, 14, 44, 46, 60) comprenden en cada caso el mismo número de canales radiales conectados en paralelo y están formados por la estampación de una chapa (34) de una placa bipolar (22), y el ajuste de las resistencias al flujo (Rhydr,9, Rhydr,13) se establece mediante un número diferente de canales radiales abiertos, en donde la abertura de los canales radiales está ejecutada en cada caso mediante un orificio en la chapa y el número de canales radiales abiertos se determina mediante el número de orificios,

- y otro canal longitudinal axial (6, 8, 30), unido mediante unos pasos de unión (12, 14, 44, 46, 60) a las celdas de combustible (4),

caracterizada porque

- el canal longitudinal axial (6, 8, 30) y el otro canal longitudinal axial (6, 8, 30) están ejecutados en cada caso como canal axial en forma de saco,

- el canal longitudinal axial (6, 8, 30) y el otro canal longitudinal axial (6, 8, 30) están unidos en cada caso de tal modo a las celdas de combustible (4), que el gas de funcionamiento es conducido en forma de U a través de la unidad de celdas de combustible (2), a través de los dos canales longitudinales (6, 8, 30) y las celdas de combustible (4), y

- las resistencias al flujo (Rhydr,9, Rhydr,13) están ajustadas de tal manera a través de los canales radiales de los pasos de unión (12, 14, 44, 46) que, en funcionamiento, las diferencias de presión estáticas en las celdas de combustible unida al canal longitudinal (6, 8, 30) son al menos fundamentalmente iguales y las resistencias al flujo a lo largo del canal longitudinal (6, 30) en la dirección de flujo primero disminuyen continuamente y después aumentan de nuevo.

Unidad de celdas de combustible La invención se refiere a una unidad de celdas de combustible con varias celdas de combustible, un canal longitudinal que pasa por las celdas de combustible para suministrar gas de funcionamiento a la celda de combustible y unos pasos de unión, que unen el canal longitudinal a las celdas de combustible y, en función de su posición longitudinal en el canal longitudinal, están ejecutados con diferentes resistencias al flujo, en donde las celdas de combustible están ensambladas formando un bloque, el canal longitudinal es un canal axial y los pasos de unión comprenden en cada caso el mismo número de canales radiales conectados en paralelo y están formados por la estampación de una chapa de una placa bipolar, y el ajuste de las resistencias al flujo se establece mediante un número diferente de canales radiales abiertos, en donde los pasos de unión presentan en cada caso el mismo número de canales radiales conectados en paralelo y están formados por la estampación de una chapa de una placa bipolar, en donde la abertura de los canales radiales está ejecutada en cada caso mediante un orificio en la chapa y el número de canales radiales abiertos se determina mediante el número de orificios.

En una celda de combustible se generan, mediante la reunión de hidrógeno (H2) y oxígeno (O2) en una reacción electroquímica, energía eléctrica y calor. Para esto se alimenta a la celda de combustible como gas de funcionamiento hidrógeno y oxígeno, ya sea de forma pura o como gas de funcionamiento con un porcentaje de hidrógeno o de oxígeno. Mediante la unión de hidrógeno y oxígeno sobre un electrolito de la celda de combustible se obtiene agua de producto que, junto con agua de humectación condensada, debe ser extraída de la celda de combustible.

Para que una celda de combustible pueda funcionar sin averías y de forma eficiente, es necesario alimentar a la celda de combustible en cantidad suficiente gas de funcionamiento, para poder evacuar impecablemente el agua producida. Esto se realiza mediante la descarga por soplado del agua desde la celda de combustible, por lo que se alimenta a la misma más gas de funcionamiento de lo que necesita para la reacción electroquímica, para que se disponga de gas de funcionamiento sobrante para la descarga por soplado.

Mediante la reacción electroquímica se produce en una celda de combustible una tensión eléctrica inferior a 1 voltio. Para conseguir una tensión elevada, en el caso de un flujo de corriente no excesivamente elevado a través de las celdas de combustible, se conectan eléctricamente en serie varias celdas de combustible, por ejemplo 5, 10 o incluso más celdas de combustible y se alimentan en paralelo con los gases de funcionamiento. Se conoce una disposición de celdas de combustible de este tipo por ejemplo del documento EP 0 591 800 B1.

Para alimentar las celdas de combustibles con gas de funcionamiento, una unidad de celdas de combustible está dotada de un canal longitudinal, que está unido a las celdas de combustible aisladas a través de unos pasos de unión. Mediante otro canal longitudinal, unido también con unos pasos de unión a las celdas de combustible, puede evacuarse desde las celdas de combustible el gas de funcionamiento no consumido y el agua.

Se conocen unidades de celdas de combustible con pasos de unión de diferentes resistencias al flujo a partir de los documentos JP 62237678 A, DE 199 05 564 A1 y US 2005/0238943 A1. A partir del documento JP 2005056671 A se conoce además configurar las resistencias al flujo de forma ajustable. A partir del documento US 6, 218, 038 B1 se conoce el ajuste de resistencias al flujo mediante válvulas en los pasos de unión y a partir de los documentos US 6, 955, 862 B2 y US 2006/0263644 A1 el ajuste mediante la apertura de una cantidad variable de canales radiales por cada paso de unión.

La tarea de la presente invención consiste en indicar una unidad de celdas de combustible, con la que pueda conseguirse un comportamiento eléctrico de las celdas de combustible lo más igual posible.

Esta tarea es resuelta mediante una unidad de celdas de combustible de la clase citada al comienzo, en la que conforme a la invención las resistencias al flujo están ajustadas de tal manera que, en funcionamiento, las diferencias de presión estáticas en las celdas de combustible unidas al canal longitudinal son al menos fundamentalmente iguales y las resistencias al flujo a lo largo del canal longitudinal en la dirección de flujo primero disminuyen continuamente y después aumentan de nuevo. Puede actuarse en contra de una circulación diferente de las celdas de combustible con gas de funcionamiento, con lo que puede conseguirse un comportamiento eléctrico al menos en gran medida igual de las celdas de combustible.

La invención parte aquí de la reflexión de que, en una unidad de celdas de combustible con varias celdas alimentadas en paralelo con gas de funcionamiento la circulación a través de las celdas puede ser diferente, lo que conduce a comportamientos eléctricos diferentes. La causa de esto pueden ser unas resistencias al flujo exigidas estructuralmente en los recorridos del flujo del gas de funcionamiento hacia y desde las celdas de combustible. De este modo, por ejemplo, mediante la salida del gas de funcionamiento desde el canal longitudinal hasta las celdas de combustible, en el recorrido a lo largo del canal longitudinal, la velocidad de flujo puede reducirse y de forma

correspondiente puede aumentar la presión estática del gas de funcionamiento en el canal longitudinal, como se ha representado con la ecuación de Bernoulli.

En el canal longitudinal, que evacua de nuevo el gas de funcionamiento, las relaciones pueden ser a la inversa. En el extremo en el que por ejemplo está cerrado el canal, a través del mismo sólo circula el gas de funcionamiento que sale de la primera celda de combustible, por lo que la velocidad de flujo es reducida. Si se sigue el canal en la dirección de flujo, afluye desde las celdas de combustible cada vez más gas de funcionamiento, la velocidad de flujo en el canal longitudinal aumenta y de este modo se reduce la presión estática a lo largo del canal longitudinal.

La corriente volumétrica a través de una celda de combustible depende de la corriente de carga actual y de las relaciones de la presión estática que imperan en la misma. Aquí es decisiva en especial la presión estática a la entrada del gas de funcionamiento y a la salida del gas de funcionamiento. Si se comparan celdas de combustible con una corriente eléctrica constante, su circulación depende de la magnitud de la diferencia de presión estática en estos puntos. En el caso de una diferencia de presión elevada, la circulación y con ello una velocidad de enjuague para evacuar agua desde las celdas de combustible es elevada, mientras que con una diferencia de presión menor es reducida.

En el caso de una unidad de celdas de combustible larga con un canal longitudinal largo, con muchas celdas alimentadas por éste en paralelo, las velocidades de enjuague de las celdas de combustible individuales serán por lo tanto diferentes. Las velocidades de enjuague, es decir, la efectividad de la evacuación de agua desde la celda de combustible influye a su vez en el comportamiento eléctrico, por lo que velocidades de enjuague diferentes pueden conducir a un comportamiento eléctrico diferente y con ello a una carga diferente sobre las celdas de combustible, de tal manera que la vida útil de las celdas de combustible sea diferente, lo que tiene un efecto negativo en el comportamiento operacional de la unidad de celdas de combustible.

Mediante la estructura de los pasos de unión, de tal modo que estén ejecutados con diferentes resistencias al flujo, puede conseguirse una circulación homogénea y con ello una velocidad de enjuague uniforme en todas las celdas de combustible, que son alimentadas con gas de funcionamiento mediante el canal longitudinal.

El canal longitudinal es convenientemente un canal recto, que conduce a través de la unidad de celdas de combustible. Sin embargo, también puede ser conducido a través de la unidad de celda de combustible acodado, en espiral o de otra forma. Está conectado ventajosamente, indirecta o directamente, a un medio de suministro de gas de funcionamiento, por ejemplo una bomba o un depósito a presión, y se usa para alimentar gas de funcionamiento a las celdas de combustible o para evacuar gas de funcionamiento desde las celdas de combustible. Si se usa para evacuar gas de funcionamiento, está unido indirecta o directamente a un separador de agua, para separar el agua del gas de funcionamiento.

Como unidad de celdas de combustible puede contemplarse un sistema de celdas de combustible independiente... [Seguir leyendo]

1. Unidad de celdas de combustible (2, 28) con -varias celdas de combustible (4) ensambladas para formar un bloque, -un canal longitudinal (6, 8, 30) axial que pasa por las celdas de combustible (4) para suministrar gas de funcionamiento a las celdas de combustible (4) , -unos pasos de unión (12, 14, 44, 46, 60) , que unen el canal longitudinal axial (6, 8, 30) a las celdas de combustible (4) y, en función de su posición longitudinal en el canal longitudinal (6, 8, 30) , están ejecutados con diferentes resistencias al flujo (Rhydr, 9, Rhydr, 13) , en donde los pasos de unión (12, 14, 44, 46, 60) comprenden en cada caso el mismo número de canales radiales conectados en paralelo y están formados por la estampación de una chapa (34) de una placa bipolar (22) , y el ajuste de las resistencias al flujo (Rhydr, 9, Rhydr, 13) se establece mediante un número diferente de canales radiales abiertos, en donde la abertura de los canales radiales está ejecutada en cada caso mediante un orificio en la chapa y el número de canales radiales abiertos se determina mediante el número de orificios, -y otro canal longitudinal axial (6, 8, 30) , unido mediante unos pasos de unión (12, 14, 44, 46, 60) a las celdas de combustible (4) , caracterizada porque -el canal longitudinal axial (6, 8, 30) y el otro canal longitudinal axial (6, 8, 30) están ejecutados en cada caso como canal axial en forma de saco, -el canal longitudinal axial (6, 8, 30) y el otro canal longitudinal axial (6, 8, 30) están unidos en cada caso de tal modo a las celdas de combustible (4) , que el gas de funcionamiento es conducido en forma de U a través de la unidad de celdas de combustible (2) , a través de los dos canales longitudinales (6, 8, 30) y las celdas de combustible (4) , y -las resistencias al flujo (Rhydr, 9, Rhydr, 13) están ajustadas de tal manera a través de los canales radiales de los pasos de unión (12, 14, 44, 46) que, en funcionamiento, las diferencias de presión estáticas en las celdas de combustible unida al canal longitudinal (6, 8, 30) son al menos fundamentalmente iguales y las resistencias al flujo a lo largo del canal longitudinal (6, 30) en la dirección de flujo primero disminuyen continuamente y después aumentan de nuevo.

2. Unidad de celdas de combustible (2, 28) según la reivindicación 1, caracterizada porque las resistencias al flujo (Rhydr, 9, Rhydr, 13) están ajustadas proporcionalmente a las diferencias de presión estáticas (P1, 9, P1, 13, P2, 9, P2, 13) entre los canales longitudinales (6, 8, 30) .

3. Unidad de celdas de combustible (2, 28) según la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque los pasos de unión (14, 44, 46, 60) ejecutados con diferentes resistencias al flujo (Rhydr, 9, Rhydr, 13) son conductos de evacuación de gas

(56) desde las celdas de combustible (4) .

4. Unidad de celdas de combustible (2, 28) según la reivindicación 3, caracterizada porque los pasos de unión (12, 46) ejecutados como conductos de alimentación de gas (58) están ejecutados con la misma resistencia al flujo a lo largo del canal longitudinal (6, 8, 30) .

5. Unidad de celdas de combustible (2, 28) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los pasos de unión (12, 44, 46, 60) ejecutados con diferentes resistencias al flujo (Rhydr, 9, Rhydr, 13) son conductos de alimentación de gas (58) hacia las celdas de combustible (4) .