ES2215090T3 - Bateria de pilas de combustible de membrana polimerica. - Google Patents

Abstract

Un generador de corriente eléctrica continua, hecho de un arreglo que comprende pilas de combustible de membrana polimérica delimitadas por placas metálicas y alimentadas con reactivos gaseosos, y celdas delimitadas por placas metálicas destinadas a la humidificación de al menos un reactivo gaseoso, en donde las pilas de combustible están equipadas con guarniciones que delimitan al menos una superficie activa de pila que aloja un primer material metálico reticulado, caracterizado porque una fracción del calor producido por las pilas de combustible es extraído a través de una región de las placas metálicas que delimitan dichas pilas de combustible por medio de la circulación de al menos un fluido en al menos un circuito de refrigeración, y que la fracción residual de dicho calor es extraída por medio de la evaporación de agua líquida que procede de las celdas de humidificación.

Description

Batería de pilas de combustible de membrana polimérica.

La invención es relativa a una batería de pilas de combustible de membrana polimérica. Las pilas de combustible son generadores electroquímicos de energía electroquímica directa; en otras palabras, ellas convierten la energía libre de reacción de un combustible (por ejemplo una mezcla gaseosa que contiene hidrógeno o alcoholes ligeros como el metanol o el etanol) con un oxidante (por ejemplo aire u oxígeno) sin degradarla por completo el estadio de energía térmica y por lo tanto sin sufrir las limitaciones del ciclo de Carnot. Esta conversión es realizada por medio de la oxidación electroquímica del combustible al polo negativo de la pila, con la consiguiente liberación de iones H^{+}, en tanto que el oxidante es reducido al polo positivo, en donde dichos iones H^{+} son consumidos; la migración de dichos iones del compartimento negativo al compartimento positivo de la pila tiene lugar a través de un electrolito apropiado. En el caso de las pilas de membrana polimérica, dicho electrolito está constituido por una membrana de intercambio catiónico, que al mismo tiempo actúa como separador físico para los reactivos gaseosos y como conductor de iones positivos presentando una conducción electrónica sustancialmente nula, para maximizar la fuerza electromotriz del generador. Las semirreacciones arriba mencionadas de oxidación del combustible y de reducción del oxidante se efectúan normalmente con el auxilio de un catalizador, en contacto íntimo con las correspondientes caras de la membrana polimérica.

Las pilas de combustible están consideradas como una excelente alternativa a los sistemas tradicionales de generación eléctrica, principalmente en razón del impacto ambiental extremadamente favorable (ausencia de emisiones tóxicas y de ruido, liberación de agua como subproducto); ellas son empleadas en el ámbito de la generación de potencia estacionaria de tallas diferentes (plantas eléctricas, generadores de continuidad o de potencia de emergencia, etc.), así como en el ámbito de las aplicaciones móviles (aplicaciones electromotrices, generación de energía motriz o auxiliar para aplicaciones espaciales, submarinas y navales).

Las pilas de combustible de membrana polimérica ofrecen, con respecto a otras pilas de combustible, ulteriores ventajas, debidas a la rapidez en la puesta en marcha y en alcanzar las condiciones de funcionamiento óptimas, a la alta densidad de potencia, a la fiabilidad intrínseca asociada a la ausencia de partes en movimiento así como de fenómenos de corrosión y de ciclos térmicos onerosos desde el punto de vista de los materiales; en efecto, entre todas las pilas de combustible de la técnica anterior, las pilas de combustible de electrolito polimérico exhiben en absoluto la más baja temperatura de funcionamiento (normalmente, 70-100ºC).

Las ventajas que derivan de la posibilidad de funcionamiento en estas condiciones van junto con algunas limitaciones, tales como la actividad reducida de los catalizadores a baja temperatura, la extremada vulnerabilidad de estos últimos al monóxido de carbono, inevitablemente presente en las mezclas combustibles a base de hidrógeno que provienen de procesos industriales corrientes, la imposibilidad de explotar el calor generado por sistemas de cogeneración.

Por este motivo, una de las tendencias más recientes en este ámbito técnico es el desarrollo de membranas poliméricas que puedan funcionar a temperaturas un poco más altas (100-150ºC), para reducir notablemente los inconvenientes mencionados más arriba, sin incurrir en aquellos mucho más pesados, en términos de ciclos térmicos, fenómenos de corrosión, propiedades físicas de los materiales de construcción, que impiden la utilización de las pilas de combustible de alta temperatura (200-800ºC) en aplicaciones de talla pequeña y mediana.

Otra tendencia actual es el desarrollo de membranas aptas a funcionar a una densidad de corriente más elevada a paridad de voltaje de pila, o sea al mismo nivel de rendimiento eléctrico del sistema. El aumento de densidad de corriente permite en efecto aumentar la densidad de potencia y de energía de las baterías de pilas de combustible, disminuyendo con eso el costo de material por unidad de potencia instalada. Esto es un punto muy importante para el éxito industrial de esta aplicación, todavía afligida por costos que no están siempre competitivos con respecto a aquellos de las tecnologías rivales.

Una última tendencia que hay que tomar en consideración concierne el desarrollo de las baterías de pilas de combustible con reactivos gaseosos a presión casi ambiente, para reducir los costos de explotación utilizando aire ambiente o mínimamente comprimido. Todos los factores listados más arriba llevan a requisitos de sistema siempre más exigentes en términos de gestión hídrica y térmica de la pila de combustible, siendo ya estos dos entre los aspectos más delicados e importantes en el diseño de dichos aparatos.

Es muy bien conocido que el primero de estos aspectos, o sea la gestión hídrica de la pila de combustible, es complicada por dos requisitos opuestos asociados a los dos elementos vitales del sistema: la membrana de intercambio iónico, en efecto, debe mantenerse en un estado suficientemente hidratado para desarrollar una conductividad iónica apropiada, previniendo de tal manera la introducción de caídas resistivas que afectarían seriamente el rendimiento eléctrico, hasta impedir por completo, en el peor de los casos, la marcha del generador. Por otro lado, los sitios catalíticos sobre los cuales tienen lugar las dos semirreacciones deben estar continuamente alimentados con los reactivos gaseosos para soportar el proceso global. Dicha alimentación gaseosa a los sitios catalíticos puede ser correctamente realizada sólo si estos últimos no están cubiertos con un exceso de agua líquida capaz de aislarlos, porque la difusión del gas a través de una capa similar sería tan lenta que ocasionaría caídas difusivas, afectando otra vez de manera grave el rendimiento eléctrico del sistema global.

El balance hídrico debe tomar en cuenta el agua producida al polo positivo por la semirreacción catódica, la fracción de esta última que migra por difusión desde el compartimento negativo al compartimento positivo, el agua transportada por los iones H^{+} en la esfera de hidratación, y el agua extraída del sistema a través de la salida de los reactivos gaseosos residuales. Una cantidad de agua apropiada debe ser por lo tanto alimentada a cada compartimento de las pilas junto con los reactivos, para compensar la diferencia entre la cantidad total extraída y la cantidad producida. La adopción de condiciones de proceso más severas, en términos de temperatura de funcionamiento y de densidad de corriente generada (esta última siendo una fuente más de calentamiento local y de evaporación incrementada de agua desde la membrana de intercambio iónico) requiere, en particular, un aumento de la cantidad de agua que debe ser alimentada al sistema, lo que no es fácil de realizar especialmente a baja presión, en donde la expansión incrementada de los gases aumenta su caudal volumétrico a paridad de flujo molar, aumentado por eso también la capacidad del flujo gaseoso de extraer el agua desde pilas de combustible.

El balance térmico global de una pila de combustible es menos complejo, pero está de todas maneras asociado a problemas tecnológicos no menos considerables. La cantidad de calor producida dentro de una pila de combustible que marcha a alta densidad de corriente es notable, y debe ser eficazmente extraída para alcanzar una temperatura de funcionamiento estable, en caso contrario esto también afectaría al balance térmico del sistema, con un efecto sinérgico que no es fácil de invertir una vez iniciado. Además, al alcanzar temperaturas elevadas aunque localmente y por un tiempo limitado, una avería estructural de las membranas, que son entre los componentes más costosos del entero aparato, y que están bastante difíciles de reemplazar sin estropear otros componentes de la batería, puede fácilmente ocurrir. Es por lo tanto obligatorio proporcionar un sistema eficaz de extracción del calor, y este último, a su vez, no debe comportar vínculos en términos de masa y volumen, que afectarían la competitividad del sistema especialmente para ciertos tipos de aplicación (como en el ámbito de la tracción eléctrica).

La selección de materiales con un coeficiente de intercambio térmico suficientemente alto en la construcción de las pilas de combustible es una medida útil para reducir la amplitud del problema de la extracción del calor: La patente US 5,482,792, por ejemplo, describe baterías de pilas de combustible provistas de placas bipolares, placas terminales y colectores de corriente, cuyas superficies son utilizadas para soportar el intercambio térmico, hechas de materiales metálicos de diferentes tipos (aleaciones de aluminio y de níquel, aceros, etc.). El uso de materiales reticulados de elevada superficie como colectores de corriente (espumas metálicas, materiales sinterizados, yuxtaposiciones de mallas o de láminas expandidas) permite también acoplar las dos funciones de humidificación de los reactivos gaseosos y de extracción del calor generado, como divulgado en la solicitud de patente PCT/EP 00/03171, en donde se describen baterías de pilas de combustible provistas de un circuito dirigido a la inyección de agua en las pilas individuales equipadas de colectores de corriente de este tipo. El calor es así extraído por medio de la evaporación parcial que tiene lugar sobre el material de alta superficie específica, utilizando la fracción de agua residual que no evapora para humidificar las membranas. Un tal aparato permite el funcionamiento de baterías de pilas de combustible a densidad de corriente superior respecto a un sistema convencional, que puede consistir por ejemplo en humidificar previamente los reactivos gorgoteando estos últimos en tanques presurizados apropiados, en tanto que se alimenta un flujo de agua separado en un circuito independiente a través de canales apropiados puestos en la parte interior de cada placa bipolar. Dicho flujo de agua permite la extracción del calor a través de las superficies de dichas placas bipolares. No obstante la simplificación constructiva introducida por el diseño divulgado en la solicitud de patente No. PCT/EP 00/03171, este último está afectado por una evidente limitación en términos de flexibilidad de funcionamiento, ya que la humidificación de las membranas sólo se puede efectuar con agua pura (por lo menos desmineralizada) y que este mismo fluido está dirigido a la extracción del calor. Es entonces evidente que el funcionamiento del generador según un diseño tal en condiciones críticas de temperatura, presión y densidad de corriente está afectado por la imposibilidad de utilizar un fluido de refrigeración con características mejoradas.

La solicitud de patente No. PCT/EP 00/04476 describe un sistema eficaz para prehumidificar los reactivos gaseosos que deben ser alimentados a una batería de pilas de combustible por medio de un aparato llenado de un material metálico reticulado, alimentado al mismo tiempo con el gas para humidificar y con un flujo calibrado de agua al estado líquido; este sistema resulta más compacto y eficaz que los tanques de gorgoteo de gas tradicionales, sin embargo no puede realizar él solo la refrigeración de la pila también, ya que la evaporación parcial del flujo de agua tiene lugar lejos de la superficie activa de la pila, que es el punto en donde se desprende el calor. Una vez alimentado a la pila, el flujo gaseoso completamente saturado previene la evaporación de agua de la membrana, la cual queda así bien hidratada, mas sólo en el caso en que un medio externo de regulación térmica mantenga constante la temperatura de pila.

Los aparatos convencionales de regulación térmica en las baterías de pilas de combustible están asociados a pesos, volúmenes y costos que derivan de las complicaciones productivas aunque el empleo de materiales metálicos mejore sensiblemente la eficiencia de intercambio térmico. Un sistema actualmente empleado para extraer el calor de reacción es proveer el interior de las placas bipolares de canales, a través de los cuales es circulado un refrigerante idóneo; esto implica que la placa resultante tenga un espesor considerable, para permitir el alojamiento de los canales, y que esta sea compleja y también costosa, debido al trabajo mecánico requerido para producirla. Una solución más conveniente consiste en delimitar, por medio de una guarnición adecuada, un pasaje entre dos caparazones lisos y delgados, puestos en contacto eléctrico por medio de insertos metálicos a formar una placa bipolar; el pasaje puede ser convenientemente explotado para circular un líquido adentro, y la complicación mecánica resultante resulta limitada. De todas maneras, evidentes razones de estabilidad estructural imponen todavía un espesor total considerable por cada placa bipolar. Un método para refrigerar las placas de una batería de pilas de combustible con mayor simplicidad constructiva está conocido por medio de la solicitud de patente europea No. EP 0 896 379. La invención allá descrita prevé la extracción del calor desde las placas bipolares de una batería de pilas de combustible circulando un fluido de refrigeración en una región periférica de dichas placas, externa a la superficie activa. De tal manera, el espesor de las placas puede ser dramáticamente reducido, ya que no está previsto algún medio de circulación al interior de dichas placas. Esta solución permite una prestación aceptable cuando las condiciones de proceso no estén demasiado severas, especialmente en términos de temperatura y densidad de corriente; en efecto, la extracción del calor a través de una porción periférica de las placas implica que se establezca un gradiente térmico transversal sobre la superficie de la pila: en otras palabras, la región más interna de cada pila resultará más caliente que aquellas más externas, y dicho fenómeno se repercutirá sobre la estabilidad de la membrana polimérica, que estará sometida a una expansión térmica irregular y a veces a fenómenos de deshidratación local, que a su vez resultan en una caída radical de la conductividad iónica así como de las características mecánicas. Todo esto introduce una limitación inoportuna en el diseño de celda en términos de amplitud de superficie activa, porque mayor es la distancia entre el centro y la periferia de la celda, más brusco resulta el gradiente térmico. Además, para mantener la región más interna de la membrana a una temperatura inferior a la máxima permitida, es obligatorio mantener la región más externa a una temperatura muy reducida. Este último factor causa a su vez dos inconvenientes importantes: antes que todo una fracción considerable de las dos semirreacciones sería conducida a una temperatura inoportunamente baja en términos de actividad catalítica como de conductividad iónica de la membrana; en segundo lugar, la circulación de un refrigerante a temperatura demasiado baja resultaría demasiado onerosa para la economía global de los sistemas, y hasta impracticable para ciertos tipos de aplicación (por ejemplo la tracción automotriz).

Descripción de la invención

Es un objetivo de la presente invención proporcionar una batería de pilas de combustible provista de placas bipolares y placas terminales hechas de un material metálico, que puede ser operada en un intervalo extenso de condiciones de proceso.

Es otro objetivo de la presente invención proporcionar una batería de pilas de combustible provista de placas bipolares y placas terminales hechas de un material metálico caracterizada por un peso y volumen reducidos, apta a ser producida sin hacer recurso a un trabajo mecánico costoso.

Es un objetivo ulterior de la presente invención proporcionar un diseño de batería de pilas de combustible adecuado para superficies activas anchas.

Es un objetivo ulterior de la presente invención proporcionar un diseño de batería de pilas de combustible con un sistema de humidificación de alta eficiencia, y un sistema binario de refrigeración, integrado en el sistema de humidificación y con la posibilidad de utilizar un amplio surtido de fluidos para la regulación térmica.

La invención consiste en una batería que comprende pilas de combustible y celdas de humidificación, apiladas en un arreglo de filtro-prensa, recíprocamente separadas por placas metálicas y conectadas en serie eléctrica por medio de las mismas placas metálicas.

La estanqueidad hidráulica entre dos placas sucesivas es realizada por medio de guarniciones en forma de marco adecuadamente diseñadas, en donde cada una de las cuales delimita, sobre cada superficie de cada placa, una región periférica, en correspondencia del marco, y una región central, interna a la guarnición.

La región periférica de las placas está provista de hoyos que, al apilar los componentes arriba mencionados, forman colectores para alimentar los reactivos gaseosos y el agua, para descargar la fracción gaseosa exhausta y para circular un fluido de refrigeración en un área delimitada de la región periférica.

Un diseño apropiado de las diferentes guarniciones permite determinar, por cada celda, cuales de esos colectores estén puestos en comunicación con la región central de cada placa y cuales estén excluidos, según los procedimientos de diseño conocidos e implícitos en el concepto de arreglo de filtro-prensa.

La región central delimitada por cada guarnición está llenada con un material metálico reticulado de alta porosidad, preferiblemente no inferior al 50%, por ejemplo una espuma metálica, un material sinterizado o una yuxtaposición de mallas o láminas expandidas.

La invención será descrita ahora refiriéndose a las figuras, en donde:

La figura 1 muestra una sección transversal de una pila de combustible que forma parte del aparato de la invención.

La figura 2 muestra una guarnición de una pila de combustible que forma parte del aparato de la invención.

La figura 3 muestra una vista en corte de una celda de humidificación que forma parte del aparato de la invención.

La figura 4 muestra la guarnición de una celda de humidificación que forma parte del aparato de la invención.

La figura 5 muestra una vista esquemática de una posible forma de realización del aparato de la invención, obtenida apilando pilas de combustible y celdas de humidificación, según una geometría de filtro-prensa.

La figura 6 muestra un posible esquema de integración del aparato de la invención en una planta provista de circuitos auxiliares para la regulación térmica y la humidificación de los reactivos.

Refiriéndose a la figura 1, cada pila de combustible (1) está delimitada por dos placas metálicas (2) y contiene un par de guarniciones (3) cuya región central es llenada con el mencionado material metálico reticulado (4), y una membrana (5) cuyas superficies están al menos en parte activadas con un material catalítico. Como mostrado en la figura, el material metálico reticulado (4) contacta de un lado la superficie de la placa metálica (2) adyacente a la correspondiente guarnición (3), y del otro lado una cara de la membrana activada (5).

Refiriéndose a la figura 2, cada una de las guarniciones (3) relativas a las pilas de combustible (1) está provista, en su región periférica, de canales (6) para alimentar un reactivo gaseoso al correspondiente colector de alimentación (7') de la pila de combustible y para descargar los residuos en el correspondiente colector de descarga (7), y de al menos un hoyo que delimita al menos una región (8) en donde un fluido de refrigeración en circulación en el circuito apropiado extrae calor de la placa metálica adyacente; preferiblemente están presentes al menos dos regiones de refrigeración (8), posicionadas a lo largo de los lados opuestos de la guarnición (3). Las regiones (8) en donde circula el fluido de refrigeración pueden ser ventajosamente rellenadas con un material altamente poroso de buenas características de intercambio térmico, y preferiblemente con el mismo material (4) utilizado en la región central de las guarniciones (3).

Refiriéndose a la figura 3, cada celda de humidificación (9) está delimitada por dos placas metálicas (2) y contiene una guarnición (3') cuya región interna está llenada con un material metálico reticulado (4) que pone las dos placas (2) en contacto eléctrico.

Refiriéndose a la figura 4, cada guarnición (3') está provista, en su región periférica, de canales (6') para alimentar los reactivos que se deben humidificar y el agua del correspondiente colector de alimentación (10), y para alimentar el gas humidificado en la relativa pila de combustible colector de alimentación (7'); el pasaje al colector de descarga (7) para descargar los residuos está también mostrado. Cada celda de humidificación está dirigida a la humidificación de un solo reactivo; en el caso en que el combustible y el oxidante deban ser ambos humidificados, deberán proporcionarse celdas de humidificación separadas para los dos reactivos.

La figura 5 muestra un posible arreglo de batería que comprende pilas de combustible (1) y celdas de humidificación (9), según la invención. Aunque en el caso específico de la figura 5 las celdas de humidificación hayan sido confinadas a una extremidad de la batería, delimitando así una sección de humidificación (12) separada de la sección de generación de corriente eléctrica (13), ellas pueden ser ventajosamente distribuidas de maneras diferentes, por ejemplo subdivididas en dos secciones a las dos extremidades de la batería, o intercaladas entre pequeños grupos de pilas de combustible, o reunidas en una región interna de la batería. Es evidente, de todas maneras, para un experto en el ramo de las baterías de filtro-prensa, que la distribución de las celdas de humidificación (9) en correspondencia de una extremidad de la batería ofrece una solución particularmente preferida para un diseño más sencillo de los colectores (7) y (7'). La figura 6 muestra, a mero título de ejemplo, un posible esquema para integrar el generador ensamblado según la geometría particular anteriormente mostrada en la figura 5 en una planta provista de circuitos auxiliares para su operación. Cuando se escojan soluciones diferentes para distribuir las celdas de humidificación (9) a lo largo del arreglo modular que forma la batería, una tal integración será sujeta a las relativas modificaciones, que forman parte del conocimiento convencional de un experto del ramo. En la batería mostrada en figura 6, la sección de humidificación (12) es alimentada con un oxidante, por ejemplo aire, así como con agua a través del canal correspondiente (10) alojado en la guarnición de humidificación (3'). La alimentación de aire, no mostrada, puede ser realizada a través de un compresor, un ventilador u otro medio equivalente. Según este esquema, el aire agotado que sale del generador a través del colector correspondiente (7) es alimentado a través de una línea externa (15) a un separador (16); la fracción líquida es entonces enviada a un intercambiador de calor (17) y llega a un tanque de acumulación (18), en donde, si necesario, se puede también efectuar la reintegración del agua perdida en el ciclo global; desde el tanque de acumulación (18), el agua es bombeada en la sección de humidificación (12) a través de la línea (14).

Un circuito similar puede también ser provisto para la humidificación del combustible.

Un circuito de refrigeración separado (19), provisto de un intercambiador de calor (20) y de un tanque de acumulación (21) alimenta a su vez la sección de pilas de combustible (13) a través del hoyo en las guarniciones (3) que permite el intercambio térmico del fluido de refrigeración elegido con las regiones de refrigeración ((8) en figura 2) preferiblemente llenadas con un material metálico de alta superficie.

Como se ha mostrado en las figuras más arriba, según la presente invención, las celdas de humidificación (9) están alimentadas a través de los relativos canales (6') con el gas que debe ser humidificado, y con un flujo de agua en exceso con respecto a la cantidad necesaria para saturar el gas alimentado. La presencia simultánea de gas y agua sobre el material reticulado de alta superficie (4) asegura la completa saturación del gas, en tanto que el agua en exceso es acarreada en fase líquida a través de los canales de salida (6'). Esta mezcla de gas saturo y agua es entonces alimentada a las pilas de combustible (1) a través del colector correspondiente (7'). Este sistema puede ser utilizado para humidificar ambos reactivos o uno solo; por ejemplo, para las pilas de combustible alimentadas con hidrógeno puro y aire, puede ser conveniente humidificar sólo este último, evitando humidificar el primero. Las pilas de combustible (1) están parcialmente refrigeradas por medio de la circulación de un fluido de refrigeración apropiado que extrae el calor en correspondencia de las regiones de refrigeración ((8) en figura 2); como es evidente, la selección del fluido apropiado es una función de las condiciones de proceso, especialmente de la temperatura operativa. Es posible, por ejemplo, utilizar agua, aceites, alcoholes, glicoles u otros medios conocidos en la técnica.

La eliminación del calor en correspondencia de las regiones de refrigeración (8) es eficaz sólo para una porción de área activa relativamente cerca de la región periférica; se instauraría entonces un perfil transversal de temperatura, como mencionado antes, en donde la región más interna de la pila debería de tender a sobrecalentarse. De todas maneras se ha sorprendentemente observado que el agua acarreada al estado líquido desde las celdas de humidificación (9) a las pilas de combustible (1), al alcanzar la región más interna y caliente del material de relleno (4), padece una evaporación local, absorbiendo el calor latente correspondiente y contribuyendo a la refrigeración de dicha región más interna, y a mantener saturado el flujo de gas allí dentro. Este mecanismo binario de refrigeración realizado por los dos diferentes fluidos, en la región más interna y cerca de aquella periférica, muestra sorprendentes características de autorregulación, probablemente debido al hecho que, ahí donde el gradiente térmico tienda a acentuarse, por ejemplo debido a un aumento en la densidad de corriente generada, la cantidad de agua que vaporiza en la región más interna de la pila tiende también a aumentar, extrayendo de tal manera más calor. Esta característica es hasta más deseable cuando se utilice una carga eléctrica variable, como es otra vez el caso de las pilas de combustible para aplicaciones automotrices, que deben ser capaces de responder a picos de demanda de potencia a veces muy acentuados, en correspondencia de aceleraciones o altas pendientes. El sistema autorregulante descrito más arriba permite una marcha estable hasta en condiciones muy críticas, siempre que el agua en exceso alimentada a las celdas de humidificación (9) sea suficiente no sólo como cantidad total, sino también localmente, para cada pila de combustible (1) individual. Para asegurar que esto sea realizado correctamente, es importante prevenir los fenómenos de condensación local en el colector de alimentación (7') de la pila de combustible, que por lo tanto debe ser preferiblemente mantenido a temperatura uniforme. Los colectores de alimentación de la pila de combustible (7') obtenidos yuxtaponiendo hoyos en las placas metálicas (2) presentan la desventaja de tener paredes metálicas, por lo tanto sometidas a un pesado intercambio térmico. Es particularmente ventajoso aislar el entero espesor de las placas en correspondencia de dichos hoyos con un material apropiado, por ejemplo un material plástico, así que todo fenómeno de condensación local que deje una parte de las pilas de combustible (1) en carencia de agua sea prevenido. La manera más sencilla y barata para lograr el aislamiento térmico requerido es insertar un tubo de material plástico u otro material térmicamente aislante, provisto de hoyos apropiados, dentro del colector de alimentación (7), cubriendo completamente su pared interna. Con este simple expediente, el sistema integrado de humidificación y refrigeración descrito arriba es capaz de permitir la marcha de una batería de pilas de combustible hasta en condiciones de proceso extremadamente severas, minimizando la diferencia de prestaciones entre pilas individuales, también en módulos de grande talla, como se ha explicado mejor en los siguientes ejemplos.

Ejemplo 1

Se ensambló un aparato correspondiente al esquema en figura 5, que comprendía 25 pilas de combustible en serie eléctrica de 0.1 m^{2} de superficie activa, y 5 celdas de humidificación, posicionadas a una extremidad del arreglo de filtro-prensa de manera de formar una sección de humidificación separada; se dispuso el arreglo de filtro-prensa de modo que todas las cinco celdas de humidificación fueran dirigidas a la humidificación del mismo reactivo de alimentar al aparato. Las pilas de combustible comprendían guarniciones espesas 2 mm según la enseñanza de la figura 2, y un material de relleno hecho de espuma de níquel-cromo espesa 2 mm al 50% de porosidad. Se empleó el mismo material de relleno para las guarniciones de la sección de humidificación, también espeso 2 mm.

La batería así obtenida fue puesta en marcha con una alimentación de hidrógeno sin salida (o sea sin recirculación alguna, en donde la cantidad de hidrógeno consumida por la reacción estaba continuamente reintegrada por el balance de presión; se utilizó nada más una purga periódica para descargar los inertes acumulados durante la marcha) y de aire ambiente filtrado y comprimido. El caudal de aire era el doble de la demanda estequiométrica, y se sacaron los residuos a la atmósfera. El aparato fue conectado a un circuito de refrigeración según la enseñanza de la figura 6, que comprendía una bomba de recirculación, un tanque de acumulación y un intercambiador de calor. Contrariamente a lo que está mostrado en la figura 5, sin embargo, la alimentación gaseosa circunvalaba las celdas de humidificación, y el aire que provenía del compresor era en cambio saturado por gorgoteo en un tanque termostatado a 90ºC, mantenido a la misma presión del compartimento catódico de la batería de pilas de combustible más la compensación para la caída de presión. Se circuló un caudal constante (4 m^{3}/h) de agua desmineralizada a 50ºC en el circuito de refrigeración. Ambos reactivos fueron mantenidos a 2 bar abs. Se utilizó una carga resistiva variable para controlar la producción de corriente; la densidad de corriente fue entonces progresivamente incrementada, hasta determinar la máxima densidad de corriente a la que una marcha estable seguía siendo posible, con voltajes de celda individuales no inferiores a 0.4 V. En estas condiciones, el aparato generó corriente eléctrica de manera estable hasta una densidad de corriente de 650 mA/cm^{2}; a densidad de corriente superior, el voltaje de algunas pilas tendía a decrecer bruscamente, probablemente por efecto de un sobrecalentamiento local. Incrementando el caudal de agua hasta 18 m^{3}/h no dio algún resultado apreciable. En este tipo de situación, había el riesgo que el voltaje de celda de una o más pilas hasta invirtiera su signo, de modo que dichas pilas funcionaran como electrolizadores de agua bajo el voltaje impreso por las pilas adyacentes, con el peligro que se evolucionase hidrógeno en el compartimento alimentado con aire; además, los fenómenos de sobrecalentamiento local hubieran podido llevar al abrupto colapso estructural de las membranas involucradas, con el riesgo de una mezcla repentina de los dos reactivos. Por este motivo se terminó rápidamente el ensayo.

Ejemplo 2

El generador del ejemplo anterior fue conectado a la planta ilustrada en la figura 6. El ensayo del ejemplo anterior fue repetido con dos variaciones: no se saturó previamente en un tanque de gorgoteo el aire comprimido, sino que se alimentó éste último a la sección de humidificación del aparato, junto con un flujo de agua de 30 l/h. Además, no se utilizó el circuito de refrigeración. En estas condiciones, el aparato fue capaz de generar, de forma estable, una densidad de corriente de 200 mA/cm^{2}; aumentando el caudal de agua en la sección de humidificación, fue posible también incrementar paralelamente la densidad de corriente generada, hasta 380 mA/cm^{2} con 72 l/h de agua. Más allá de este nivel de densidad de corriente, el incremento en el caudal del agua ya no tenía algún efecto visible, y el ensayo fue terminado debido a una brusca caída de voltaje en algunas pilas de combustible del aparato.

Ejemplo 3

El ensayo del ejemplo 3 fue repetido con la sola variación que se puso en marcha el circuito de refrigeración con agua desmineralizada a 50ºC y con un caudal constante de 4 m^{3}/h. Alimentando 72 l/h de agua en la sección de humidificación, se mantuvo una densidad de corriente estable de 1050 mA/cm^{2}, con un voltaje medio de celda de 0.42 V, y un voltaje mínimo de celda individual de 0.4 V, durante nueve horas de marcha continuada.

Ejemplo 4

El ensayo del ejemplo 3 fue repetido después de haber insertado un tubo de PTFE con hoyos apropiados dentro del colector de alimentación de aire, de modo de favorecer el aislamiento térmico de éste último, previniendo una excesiva condensación de agua sobre sus paredes. En estas condiciones, se mantuvo una densidad de corriente estable de 1200 mA/cm^{2}, con un voltaje medio de celda de 0.41 V, y un voltaje mínimo de celda individual de 0.4 V, durante nueve horas de marcha continuada.

Los ejemplos divulgados más arriba y las formas de realización particulares mostradas en las figuras deben de entenderse como una ilustración de los principios de la presente invención, y no deberán interpretarse como una limitación de su objetivo, cuyo ámbito es únicamente definido por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (14)

1. Un generador de corriente eléctrica continua, hecho de un arreglo que comprende pilas de combustible de membrana polimérica delimitadas por placas metálicas y alimentadas con reactivos gaseosos, y celdas delimitadas por placas metálicas destinadas a la humidificación de al menos un reactivo gaseoso, en donde las pilas de combustible están equipadas con guarniciones que delimitan al menos una superficie activa de pila que aloja un primer material metálico reticulado, caracterizado porque una fracción del calor producido por las pilas de combustible es extraído a través de una región de las placas metálicas que delimitan dichas pilas de combustible por medio de la circulación de al menos un fluido en al menos un circuito de refrigeración, y que la fracción residual de dicho calor es extraída por medio de la evaporación de agua líquida que procede de las celdas de humidificación.

2. Generador según la reivindicación 1, caracterizado porque dicha región de dichas placas metálicas a través de la cual dicho al menos un fluido en circulación extrae dicha fracción de calor es adyacente a dicha superficie activa de pila.

3. Generador según la reivindicación 2, caracterizado porque dicha región de dichas placas metálicas a través de la cual dicho al menos un fluido en circulación extrae dicha fracción de calor contiene un segundo material metálico reticulado de elevada porosidad.

4. Generador según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las celdas destinadas a la humidificación de al menos un reactivo gaseoso están equipadas de guarniciones que alojan un tercer material metálico reticulado de elevada porosidad.

5. Generador según la reivindicación 4, caracterizado por estar alimentado con una cantidad de agua superior a la cantidad necesaria a la saturación de dicho al menos un reactivo gaseoso.

6. Generador según la reivindicación 4, caracterizado porque dichos primer, segundo y tercer material metálico reticulado están seleccionados en el grupo que comprende las espumas metálicas, los materiales sinterizados, las mallas, las láminas expandidas y cualquier combinación obtenida por yuxtaposición de al menos dos de estos elementos.

7. Generador según la reivindicación 4, caracterizado porque el material del que se componen dichos primer, segundo y tercer material metálico reticulado comprende el níquel o al menos una de sus aleaciones.

8. Generador según la reivindicación 1, caracterizado porque las celdas destinadas a la humidificación de al menos un reactivo están destinadas a la humidificación de un oxidante que contiene oxígeno.

9. Generador según la reivindicación 8, caracterizado porque dicho oxidante que contiene oxígeno es el aire ambiente.

10. Generador según la reivindicación 1, caracterizado porque las celdas destinadas a la humidificación de al menos un reactivo están destinadas a la humidificación de un combustible que contiene hidrógeno.

11. Generador según la reivindicación 1, caracterizado porque al menos uno de los reactivos, humidificado en la celda destinada a tal finalidad, es luego alimentado a un colector cuyas paredes internas están térmicamente aisladas.

12. Generador según la reivindicación 11, caracterizado porque dicho colector es obtenido por yuxtaposición de hoyos de las placas metálicas que delimitan las pilas de combustible según un arreglo de filtro-prensa, y el aislamiento térmico de las paredes internas de dicho colector es realizado por medio de la inserción de un tubo hecho de material térmicamente aislante.

13. Generador según la reivindicación 1, caracterizado porque las celdas destinadas a la humidificación de al menos un reactivo gaseoso están alimentadas con dicho reactivo y con agua a través de un colector cuyas paredes internas están térmicamente aisladas.

14. Generador según la reivindicación 13, caracterizado porque dicho colector es obtenido por yuxtaposición de hoyos de las placas metálicas que delimitan las pilas de combustible según un arreglo de filtro-prensa, y el aislamiento térmico de las paredes internas de dicho colector es realizado por medio de la inserción de un tubo hecho de material térmicamente aislante.