ES2563453T3 - Combinación de pilas de combustible - Google Patents

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Manfred Stefener
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Abstract

Dispositivo de pila de combustible (100, 200) con un dispositivo de electrolito (110, 210) que comprende un equipo de electrolito basico (110B, 210B) y un equipo de electrolito acido (110S, 210S), estando configurado el dispositivo de pila de combustible (100, 200) de tal manera que al menos una parte de al menos un producto de reaccion que se produce en uno de los equipos de electrolito (110B; 210B, 210S) se puede suministrar al otro equipo de electrolito (110S; 210S, 210B), en el que el equipo de electrolito basico (110B, 210B) comprende al menos una zona conductora de aniones y el equipo de electrolito acido (110S, 210S) comprende al menos una zona conductora de cationes.

Description

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DESCRIPCION
Combinacion de pilas de combustible Campo de la invencion
La invencion se refiere, de forma general, a un dispositivo de pila de combustible con un equipo de electrolito basico y un equipo de electrolito acido, pudiendose suministrar un producto de reaccion de uno de los equipos de electrolito al otro equipo de electrolito. En particular, la invencion se refiere a un dispositivo de pila de combustible en el que el producto de reaccion que se ha mencionado anteriormente es H2O.
Estado de la tecnica
Las pilas de combustible transforman directamente en energfa electrica la energfa que esta almacenada en los enlaces moleculares de compuestos qmmicos. Esta "combustion fna" se diferencia de la combustion habitual ("mas caliente") por el hecho de que las reacciones de disociacion y formacion en las que se basa la conversion de energfa (reaccion redox) tienen lugar de forma separada una de otra en el espacio y la conversion de la energfa qmmica en energfa electrica no se realiza a traves del desvfo de la generacion de calor y conversion de la energfa termica en trabajo mecanico.
En el caso de una pila de combustible que usa como combustible metanol (CH3OH), que se quema hasta dar dioxido de carbono y agua, independientemente de las etapas de reaccion que realmente se desarrollan, se puede indicar para la conversion de sustancia que tiene lugar en la pila de combustible la siguiente ecuacion de balance:
CH3OH + 1,5 O2 ^ CO2 + 2 H2O (+ AG).
La energfa electrica aprovechable de la pila de combustible se da por la entalpfa de Gibbs AG de esta reaccion y depende, entre otras cosas, de la temperatura de funcionamiento de la pila de combustible.
La estructura de una pila de combustible consiste en una camara del lado del anodo y una camara del lado del catodo, que estan separadas una de otra por un electrolito (lfquido o solido) conductor de iones. En la camara del lado del anodo se suministra el combustible (que habitualmente contiene hidrogeno), mientras que a la camara del lado del catodo se suministra la sustancia de reaccion, por norma general oxfgeno.
Ademas, en la pila de combustible se producen productos de reaccion (productos de combustion), por ejemplo, agua y/o dioxido de carbono que, dado el caso, se tienen que evacuar parcialmente o por completo.
En general se diferencia entre electrolitos acidos (por ejemplo, acido sulfurico, acido fosforico) a traves de los cuales migran iones positivos del anodo al catodo, y electrolitos basicos (por ejemplo, potasa caustica) a traves de los cuales migran iones negativos del catodo al anodo.
En una pila de combustible que usa metanol como combustible y con un electrolito acido, por ejemplo, una membrana conductora de protones, se pueden indicar las siguientes reacciones de anodo y catodo:
anodo: CH3OH + H2O ^ CO2 + 6H+ + 6e-
catodo: 1,5 O2 + 6H+ + 6e- ^ 3H2O
Aqrn se reconoce que se genera H2O en la pila de combustible no solo como producto del combustion y se tiene que evacuar en el lado del catodo, sino que H2O junto con el combustible en sf metanol tambien se tiene que suministrar en el lado del anodo (lo que no se puede ver en la ecuacion de balance).
Ya que en el catodo se produce mas agua como producto de combustion de lo que se tiene que suministrar en el anodo, durante el funcionamiento, al menos en teona, una parte correspondiente de esta agua que se produce como producto de desecho se puede devolver al anodo, de tal manera que se puede evitar la necesidad de un aporte externo de agua.
Pero la devolucion de agua esta asociada a varios problemas en cuanto a la tecnica de regulacion:
- la cantidad de agua que se tiene que suministrar al anodo se diferencia de la cantidad que se produce en el catodo;
- el agua producida en el catodo, por norma general, se encuentra en otro estado de agregacion (gaseosa) de lo que se necesita en el anodo (lfquida);
- el agua que se produce en el catodo por norma general no esta presente en forma pura, sino que esta "contaminada" con otros productos de la combustion (por ejemplo, dioxido de carbono);
- las anteriores ecuaciones de anodo y catodo son ecuaciones netas y representan una gran simplificacion del desarrollo del procedimiento en sf: en realidad, cada proton que difunde se envuelve con una envuelta de hidrato
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y, por tanto, arrastra una parte parasitaria de agua del anodo a traves del electrolito hacia el catodo; por tanto, una ecuacion de anodo mas realista tiene la forma:
CH3OH + (1+x) H2O ^ CO2 + 6H+ + 6e- + XH2O,
dependiendo el valor de x de los parametros de funcionamiento, en particular de la temperature.
Aqrn se senala que el parametro x en absoluto es despreciable (x<<1), sino que, por el contrario, valores de x>1 y en el orden de magnitudes de 100 ... 101 se aproximan bastante mas a la realidad que la ecuacion de balance neto (x=0). Asf, x en el caso de una envuelta de hidrato realista de 1 a 6 moleculas de agua por proton adopta los valores de 6 a 18.
Para aclarar mejor que cantidades de sustancia tienen que suministrarse realmente en el anodo y en el catodo es apropiado indicar la ecuacion de balance en la siguiente forma (no acortada):
[CH3OH + (1+x) H2O] + 1,5 O2 ^ CO2 + (3+x) H2O,
teniendose que suministrar para mantener el funcionamiento en el lado del anodo constantemente la mezcla de sustancias indicadas entre corchetes [CH3OH + (1+x) H2O].
Aparecen problemas similares tambien en el caso de una pila de combustible con electrolitos basicos. Por ejemplo, para una pila de combustible DMFC (direct methanol fuel cell) con una membrana de polfmero conductora de iones hidroxido se pueden indicar las siguientes reacciones de anodo y catodo:
catodo: 1,5 O2 + 3H2O + 6e- ^ 6OH-
anodo: CH3OH + 6OH- ^ CO2 + 5H2O + 6e-
Tambien aqrn el agua aparece no solo como producto de la combustion, sino que se tiene que suministrar en el lado del catodo. Una devolucion se dificulta, entre otras cosas, por el hecho de que el agua esta presente en el lado del anodo como mezcla de agua/metanol, cuya separacion tecnicamente es compleja. Ademas, el ion hidroxido, de forma similar al proton, se envuelve con una envuelta de hidrato, de tal manera que para aclarar las consecuencias resultantes a partir de esto tambien aqrn es apropiado indicar la ecuacion de balance en forma no acortada:
CH3OH + [1,5 O2 + (3+y) H2O] ^ CO2 + (5+y) H2O.
Para mantener el funcionamiento, por tanto, por unidad de formula suministrada en el lado del anodo de metanol en el lado del catodo se tiene que suministrar equivalentemente la mezcla de sustancias indicada entre corchetes [1,5 O2 + (3+y) H2O], pudiendose cubrir ciertamente en principio la necesidad de agua (3+y) H2O por la mayor cantidad de agua (5+y) H2O producida en el anodo, estando asociada, no obstante, la realizacion tecnica de la devolucion equivalente de agua, tal como se ha mencionado, a grandes dificultades tecnicas.
Debido a esta tendencia general que se ha descrito anteriormente mediante ejemplos de iones que difunden a traves de un electrolito conductor de iones de rodearse de una envuelta de hidrato y arrastrar esta envuelta de hidrato a traves del electrolito (electroosmosis), aparecen efectos comparables tambien en pilas de combustible que usan un combustible diferente del metanol.
Por tanto, un problema general que dificulta tanto la construccion como el funcionamiento de sistemas de pila de combustible radica en que las sustancias producidas como productos de reaccion en un lado, bien sea como consecuencia del transporte parasitario a traves del electrolito (electroosmosis) o bien como consecuencia de una reaccion qmmica o una combinacion de los mismos, se necesitan en el otro lado, una devolucion sencilla de estos productos de reaccion esta confrontada con distintos problemas tecnicos.
Descripcion de la invencion
Por tanto, un objetivo de la invencion es facilitar procedimientos y dispositivos de pila de combustible que solventen estos problemas.
Estos objetivos se resuelven de acuerdo con la invencion mediante de dispositivos de pila de combustible con las caractensticas indicadas en la reivindicacion 1 y el procedimiento definido en la reivindicacion 10.
Por consiguiente, un dispositivo de pila de combustible de acuerdo con la invencion presenta un dispositivo de electrolito que comprende un equipo de electrolito basico y un equipo de electrolito acido, estando configurado el dispositivo de pila de combustible de tal manera que al menos una parte de al menos un producto de reaccion que se produce en el equipo de electrolito se pueda suministrar al otro equipo de electrolito.
El procedimiento de acuerdo con la invencion para el funcionamiento de un dispositivo de pila de combustible comprende las etapas: facilitacion de un equipo de electrolito basico y un equipo de electrolito acido, suministro de combustible y oxidantes, evacuacion de productos de reaccion, suministrandose al menos una parte de al menos un
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producto de reaccion que se produce en uno de los equipos de electrolito al otro equipo de electrolito.
En particular cuando se hacen funcionar los dos equipos de electrolito con el mismo combustible, a este respecto, a causa de las propiedades en parte complementarias de electrolitos acidos y basicos es posible suministrar, sin separacion compleja, una sustancia que se produce en un dispositivo de electrolito en el lado del anodo como producto de reaccion al otro dispositivo de electrolito en el lado del anodo y/o suministrar una sustancia que se produce en un dispositivo de electrolito en el lado del catodo como producto de reaccion al otro dispositivo de electrolito en el lado del catodo.
En un perfeccionamiento preferente, al menos un producto de reaccion que se produce en un equipo de electrolito se puede suministrar por completo al otro equipo de electrolito.
Por ello, para este producto de reaccion en uno de los equipos de electrolito no tiene que preverse ningun dispositivo para desechar este al menos un producto de reaccion, lo que posibilita una configuracion mas sencilla y un funcionamiento simplificado del dispositivo de pila de combustible.
Una configuracion sencilla de un dispositivo de pila de combustible de acuerdo con la invencion comprende un equipo de electrolito basico, que se forma por una unica zona conductora de aniones, y un equipo de electrolito acido, que se forma por una unica zona conductora de cationes. Pero muchos perfeccionamientos ventajosos de dispositivos de pila de combustible no estan limitados a una unica zona de este tipo en cada caso.
De este modo, los perfeccionamientos preferentes del dispositivo de pila de combustible presentan un equipo de electrolito acido con multiples zonas conductoras de cationes y/o un equipo de electrolito basico con multiples zonas conductoras de aniones.
Por ello son posibles disposiciones en las que los productos de reaccion atraviesan de forma alterna varias veces unos detras de otros el equipo de electrolito basico y el acido, lo que posibilita un aprovechamiento mas completo de estas sustancias y, por tanto, un funcionamiento mas eficaz del dispositivo de pila de combustible.
En un perfeccionamiento particularmente preferente del dispositivo de pila de combustible de acuerdo con la invencion, las zonas conductoras de aniones y las zonas conductoras de cationes estan dispuestas de forma alterna.
A este respecto, la disposicion alternante de las zonas se puede realizar a lo largo de una direccion (disposicion unidimensional) y formar, por ejemplo, un patron de franjas. Estas zonas pueden presentar todas el mismo dimensionado, pero tambien pueden cambiar en direccion de paso.
En otros perfeccionamientos preferentes, la disposicion alternante se realiza en dos direcciones a la vez. Las disposiciones bidimensionales preferentes con zonas del mismo tamano comprenden: patron de tablero de ajedrez, patron de rombos, patron de triangulos, patron de hexagonos. En el caso de una disposicion bidimensional de zonas de diferente tamano queda abierto un numero discrecional de posibilidades. Estas disposiciones estan optimizadas en relacion con una combustion lo mas completa posible de los combustibles suministrados y aprovechamiento de los productos de reaccion que se producen.
En un perfeccionamiento particularmente ventajoso del dispositivo de pila de combustible, el dispositivo de catodo del dispositivo de pila de combustible comprende una unica camara de catodo y/o el dispositivo de anodo del dispositivo de pila de combustible, una unica camara de anodo.
Esto permite un control particularmente sencillo y eficaz del flujo de sustancia, ya que se pueden usar al menos en parte equipos comunes para el suministro de combustible, el suministro de oxidante y la evacuacion de sustancias de desecho.
Es particularmente ventajoso un dispositivo de electrolito que esta configurado como una estructura relacionada, pero que presenta una composicion qmmica localmente diferente, formando zonas con diferente composicion qmmica las zonas conductoras de cationes (es decir, el equipo de electrolito acido) y las zonas conductoras de aniones (es decir, el equipo de electrolito basico).
Preferentemente, el dispositivo de electrolito del dispositivo de pila de combustible comprende una membrana conductora de iones. En particular es comparativamente sencillo producir membranas con composicion qmmica localmente diferentes que forman zonas conductoras de aniones o cationes, por lo que el dispositivo de electrolito del dispositivo de pila de combustible se puede configurar como una unica membrana relacionada.
La siguiente descripcion de la invencion mediante formas de configuracion preferentes y en relacion con las figuras se realiza en el ejemplo de pilas de combustible que usan metanol como combustible, pero en ningun modo esta limitada a las mismas.
Para comprender mejor la invencion y la problematica subyacente, a continuacion se resumen las ecuaciones de reaccion no acortadas en el ejemplo de pilas de combustible que usan metanol:
Pila de combustible con electrolito acido:
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Anodo
CH3OH + (1+x) H2O ^ CO2 + 6e- + (6H+ + xH2O),
Catodo
1,5 O2 + 6H+ + 6e- ^ 3H2O
Total
[CH3OH + (1+x)H2O] + {1,5 O2H [CO2] + {(3+x)H2O}
En la ecuacion global, las sustancias que se tienen que suministrar se encuentran en el lado izquierdo, los productos de reaccion que se tienen que evacuar, en el lado derecho.
A este respecto, los corchetes se refieren a las sustancias que se tienen que suministrar o evacuar en el lado del anodo y las llaves a las sustancias que se tienen que suministrar o evacuar en el lado del catodo.
Pila de combustible con electrolito basico:
Anodo
CH3OH + 6OH- ^ CO2 + 5H2O + 6e-
Catodo
1,5 O2 + (3+y) H2O + 6e- ^ (6OH- + yH2O)
Total
[CH3OH] + {1,5 O2 + (3+y) H2O }^ [CO2] + {(5+y) H2O}
Tambien aqu en la ecuacion global los corchetes se refieren a las sustancias que se tienen que suministrar o evacuar en el lado del anodo y las llaves a las sustancias que se tienen que suministrar o evacuar en el lado del catodo.
Las figuras muestran:
La Fig. 1, un primer ejemplo de realizacion del dispositivo de pila de combustible de acuerdo con la invencion;
La Fig. 2, un segundo ejemplo de realizacion del dispositivo de pila de combustible de acuerdo con la invencion;
La Fig. 3, un tercer ejemplo de realizacion del dispositivo de pila de combustible de acuerdo con la invencion;
La Fig. 4, un cuarto ejemplo de realizacion del dispositivo de pila de combustible de acuerdo con la invencion;
La Fig. 5, un quinto ejemplo de realizacion del dispositivo de pila de combustible de acuerdo con la invencion;
La Fig. 6, un sexto ejemplo de realizacion del dispositivo de pila de combustible de acuerdo con la invencion,
La Fig. 7, un ejemplo de realizacion preferente de un dispositivo de electrolito para el dispositivo de pila de
combustible de acuerdo con la invencion;
La Fig. 8, el ejemplo de realizacion mostrado en la Figura 7 del dispositivo de electrolito desde otro angulo de vision;
La Fig. 9, otro ejemplo de realizacion preferente de un dispositivo de electrolito.
La Figura 1 describe un dispositivo de pila de combustible 100 de acuerdo con la invencion que esta estructurado a partir de una combinacion de dos pilas de combustible 100B y 100S esencialmente independientes. Una de estas dos pilas de combustible presenta un electrolito basico 110B, la segunda pila de combustible, un electrolito acido 110S.
Las pilas de combustible 100B, 100S estan representadas solo esquematicamente. Por ejemplo, cada una de las dos pilas de combustible puede estar configurada como una pila de pilas de combustible.
Los dos electrolitos 110B, 110S forman el dispositivo de electrolito 110 del dispositivo de pila de combustible 100 combinado.
En ambas pilas de combustible 100B, 100S, en la respectiva camara de anodo 120 se suministra el combustible 1 identico para ambas pilas de combustible, en las camaras de catodo 130 respectivamente el mismo oxidante 2. Ademas, de las camaras de catodo se evacua el producto de combustion 4.
En el caso del presente ejemplo, el combustible 1 es metanol y el oxidante 2 oxfgeno, por ejemplo, una mezcla de gases que contiene oxfgeno, tal como el aire. El producto de combustion 4 es dioxido de carbono.
Ademas, al equipo de electrolito basico 110B en el lado del catodo aparte del oxidante 2, es decir, oxfgeno, de acuerdo con la ecuacion de catodo que se ha indicado anteriormente se tiene que suministrar tambien una determinada cantidad de agua 6, que es necesaria para el desarrollo de las reacciones en la pila de combustible. Pero al mismo tiempo tambien sale de nuevo agua en el lado del anodo: en parte formada de nuevo como consecuencia de los procesos qmmicos que se desarrollan, en parte debido a la difusion a traves del electrolito. Sin
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diferenciar estos procesos se usa para esto la expresion producto de reaccion.
Ahora, de acuerdo con la invencion, las dos pilas de combustible 100S y 100B se combinan hasta dar un dispositivo de pila de combustible 100, al suministrarse el producto de reaccion 3 que sale en el lado del anodo (en el presente documento: agua) a la camara de anodo 120 de la pila de combustible acida 100S.
En la camara de anodo 120 de la pila de combustible acida 100S forma con el combustible suministrado al mismo tiempo metanol 1 la mezcla de metanol/agua en el lado del anodo necesaria para el funcionamiento de un equipo de electrolito acido.
Ya que las camaras de anodo 120 de las dos pilas de combustible 100S y 100B presentan las mismas sustancias (en este ejemplo: metanol, dioxido de carbono, agua), el producto de reaccion 3 transferido desde una camara de anodo a la otra camara de anodo no tiene que someterse a ningun procedimiento complejo de purificacion. Mas bien, el producto de reaccion 3 (agua) puede desde luego estar "contaminado" con otras sustancias, es decir, el combustible 1 (metanol) y el producto de combustion 4 (dioxido de carbono), sin que esto perjudique el funcionamiento del dispositivo.
Finalmente, en el caso de la pila de combustible acida en el lado del catodo aparte del suministro de oxidantes 2 (oxfgeno) se produce la evacuacion del exceso de agua 5 que se produce durante todo el procedimiento.
La forma de realizacion de acuerdo con la invencion de la Figura 1 tiene la ventaja, con respecto a una devolucion de agua de la camara de anodo a la camara de catodo (o a la inversa) de una pila de combustible convencional, de que no se tiene que llevar a cabo ninguna separacion compleja de sustancias.
En el presente ejemplo, en la camara de anodo 120 de la pila de combustible basica 100B estan presentes las sustancias metanol 1, agua 3 y dioxido de carbono 4. Asimismo estan presentes las mismas sustancias en la pila de combustible acida, no produciendose a diferencia de la pila de combustible basica agua como producto de reaccion, sino siendo mas bien necesaria para conseguir la reaccion deseada.
Por tanto, el agua se puede traspasar desde la camara de anodo de la pila de combustible basica a la camara de anodo de la pila de combustible acida, sin que, a este respecto, se tenga que realizar una purificacion de sustancias indeseadas.
La Figura 2 muestra otra forma de realizacion de acuerdo con la invencion de un dispositivo de pila de combustible 200 que esta compuesta de una combinacion de una pila de combustible basica y una pila de combustible acida.
A diferencia del ejemplo de realizacion mostrado en la Figura 1, la combinacion de pilas de combustible que ahora se ha descrito no muestra ningun tipo de aporte externo de agua. Mas bien, una parte 3' del agua que se produce en la "pila de combustible acida" 200S en el lado de catodo 230 se traspasa a la camara de catodo 230 de la "pila de combustible basica" 200B. Mediante aporte de oxfgeno 2, en esta camara 230 se produce la mezcla de oxfgeno/agua necesaria para la formacion de aniones hidroxido.
Como ya se ha senalado en la introduccion, los aniones hidroxido difunden a traves del electrolito basico 210B, rodeandose con una envuelta de hidrato. El agua 3 transportada a traves de esto a la camara de anodo 220 ahora se transporta junto con el agua 3 que se produce en la combustion en sf del metanol y el dioxido de carbono 4 a la camara de anodo 220 de la pila de combustible acida 200S. Aqrn, el dioxido de carbono 4, por ejemplo, se extrae mediante evacuacion externa de los demas procedimientos de transporte y reaccion, mientras que el agua 3 junto con el combustible 1 suministrado da la mezcla de agua/metanol necesaria para el funcionamiento de la pila de combustible acida 200S.
En la pila de combustible acida 200S se desarrollan de nuevo las mismas reacciones como ya se han descrito en relacion con la Figura 1, permaneciendo ahora el agua transportada a la camara de catodo 220 en una parte 3' en el circuito y extrayendose el exceso de parte 5 del sistema 200.
La Figura 3 muestra otro ejemplo de realizacion del dispositivo de pila de combustible 300 de acuerdo con la invencion, que ahora, a diferencia de los ejemplos de realizacion mostrados en las Figuras 1 y 2, ya no esta estructurado de dos pilas de combustible funcionales mas o menos por separado.
Mas bien, el ejemplo de realizacion de la Figura 3 presenta un dispositivo de pila de combustible 300 que comprende un equipo de electrolito basico 310B y un equipo de electrolito acido 310S que presentan una camara de anodo 320 comun.
En el lado de catodo 330 del equipo del electrolito basico 310B se suministra una mezcla de oxfgeno/agua indicada por las referencias 2 y 6 a la camara de catodo 230. Al mismo tiempo se suministra metanol puro a la camara de anodo 320.
De este modo, en el equipo de electrolito basico 310B se desarrollan los procedimientos que ya se han descrito varias veces, en los que metanol 1 con oxfgeno 2 se "quema" hasta dar dioxido de carbono 4 y agua 3 y una cantidad adicional de agua 3 mediante electroosmosis es arrastrada a traves del electrolito basico 110B desde la
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camara de catodo 330 a la camara de anodo 320.
Gracias a la camara de anodo 320 comun no es necesario suministrar de forma externa agua a la camara de anodo. Mas bien se puede usar la mezcla de metanol/agua que se produce en la camara de anodo 320 para hacer funcionar el posterior equipo de electrolito acido 310S cuando se suministra en el lado de catodo 330 del equipo de electrolito acido 310S oxfgeno.
El exceso de agua 5 que se produce en todo el procedimiento se evacua de la camara de catodo 330 del equipo de electrolito acido 310S.
La Figura 4 muestra otro ejemplo de realizacion de acuerdo con la invencion. En este caso, el dispositivo de electrolito 410 presenta dos equipos de electrolito 410S, 410B previstos uno al lado del otro, de los cuales un equipo de electrolito 410B tiene caracter basico, el otro equipo de electrolito 410S tiene caracter acido.
El dispositivo de pila de combustible 400 esta configurado de tal manera que los dos equipos de electrolito 410B y 410S presentan, respectivamente, una camara de catodo comun 430 y una camara de anodo comun 420. De este modo es necesario solo un dispositivo de suministro para combustible 1 y un dispositivo de suministro para oxfgeno 2.
El agua 3 que se produce en el lado del anodo durante el funcionamiento con el equipo de electrolito basico 410B forma con el metanol 1 suministrando en el lado del anodo una mezcla de metanol/agua que se puede usar para el procedimiento de combustion en el equipo de electrolito acido 410S.
De forma similar, una parte del agua 3' que se produce en el lado del catodo en el equipo de electrolito acido 410S puede formar la mezcla de agua/oxfgeno en el lado del catodo necesaria para el funcionamiento del dispositivo de pila de combustible basico 400. El exceso de agua 5 se evacua en el lado del catodo.
La Figura 5 muestra un ejemplo de realizacion similar a la Figura 4, comprendiendo ahora uno de los dos equipos de electrolito 510S, 510B, en concreto el equipo de electrolito acido 510S, dos zonas separadas una de otra, entre las cuales esta previsto el equipo de electrolito basico 510B. Esta forma de realizacion se hace funcionar de forma similar a la forma de realizacion descrita en la Figura 4:
Del equipo de electrolito basico 510B previsto en el centro se produce en el lado del anodo agua 3, que enriquece el metanol 1 suministrado a la camara de anodo 520 y que forma una mezcla de metanol/agua en el lado del anodo necesaria para el funcionamiento de los equipos de electrolito acidos 510S. De forma similar se mezcla el agua 3 que sale en el lado del catodo en el equipo de electrolito acido 510S con el oxfgeno 2 suministrado en el lado del catodo y forma para esto la mezcla de agua/oxfgeno en el lado del catodo necesaria para el equipo de electrolito basico 510B.
A su vez, el exceso de agua 5 se evacua en el lado del catodo.
La Figura 6 muestra otra forma de realizacion preferente del dispositivo de pila de combustible 600 de acuerdo con la invencion, que presenta multiples equipos de electrolito 610S y 610B dispuestos de forma alterna. Estas zonas dispuestas de forma alterna forman el dispositivo de electrolito 610 del dispositivo de pila de combustible 600, que presenta una unica camara de anodo comun 620 y una unica camara de catodo comun 630.
En el presente ejemplo, la disposicion es de tal manera que en un lado de entrada de la camara de anodo comun 620 se suministra el combustible 1 y fluye al lado de los lados de anodo de los dispositivos de electrolito 610S, 610B dispuestos uno tras otro. De forma similar se deja entrar oxfgeno 2 en un lado de la camara de catodo 630.
En cada una de las zonas del electrolito acidas o basicas se quema una parte del metanol 1 en el lado del anodo hasta dar dioxido de carbono 4, a traves de las zonas de electrolito basico 610B se produce ademas agua 3. La mezcla de metanol/agua que se produce a partir de esto se puede usar para el funcionamiento de las zonas de electrolito acido 610S adyacentes.
Algo similar ocurre en el lado del catodo con el oxfgeno 2 que fluye que se enriquece en las zonas de electrolito acido 610S con agua 3', pudiendose usar la mezcla que se produce de oxfgeno/agua para el funcionamiento de las zonas de electrolito basicas 610B adyacentes.
En la camara de anodo 620 se realiza en direccion del flujo en total un empobrecimiento de metanol, mientras que en el lado del catodo se produce un empobrecimiento de oxfgeno de la mezcla presente de oxfgeno/agua.
Esto se puede tener en cuenta al dimensionar los equipos de electrolito basico y acido sucesivos que, de forma apropiada, se lleva a cabo seleccionandose de tal manera que se produce un rendimiento optimo.
El ejemplo de realizacion de la Figura 6 presenta elementos individuales separados unos de otros del equipo de electrolito. Frente a esto, la Figura 7 muestra una forma de realizacion alternativa y particularmente preferente de un equipo de electrolito 710 que puede reemplazar el equipo de electrolito 610 en el ejemplo de realizacion de la Figura 6.
En el equipo de electrolito 710 de la Figura 7 no estan presentes dispositivos de electrolito aislables unos de otros, sino una estructura relacionada con composicion qmmica localmente diferente. La composicion se ha seleccionado, respectivamente, de tal manera que se alternan zonas con conduccion de cationes y zonas con conduccion de aniones, de tal manera que resulta un equipo de electrolito 710 en el que se alternan zonas acidas S y zonas 5 basicas B.
Como muestra la Figura 8, una disposicion alternante de este tipo se puede extender a lo largo de una direccion, por ejemplo, a lo largo del eje x. A este respecto, el dimensionado de las zonas se puede elegir libremente y no esta limitado al ejemplo mostrado esquematicamente con zonas de un tamano por ejemplo igual.
En una forma de realizacion ventajosa, que muestra la Figura 9, no obstante, la disposicion alternante puede 10 realizarse tambien a lo largo de dos direcciones del espacio y, por ejemplo, dar lugar a un patron de tablero de ajedrez. Se encuentran asimismo en el alcance de la presente invencion disposiciones de mayor superficie, tales como patrones triangulares o patrones irregulares.
La disposicion de tales patrones y el tamano de las zonas individuales se seleccionan de acuerdo con las relaciones de flujo esperables en el dispositivo de pila de combustible.
15 Entre otras cosas debido a que en el sistema global se produce agua (por ejemplo, de acuerdo con 2H2+O2 ^ 2H2O o CH3OH+1,5O2 ^ CO2+2H2O), en todas las formas de realizacion descritas los equipos de electrolito basicos y acidos pueden estar dimensionados con diferentes tamanos en relacion con las cantidades de sustancias convertidas en los mismos.
A este respecto, un punto de vista esencial siempre es una combustion lo mas completa posible y una optimizacion 20 del equilibrio de agua de todo el sistema.

Claims (9)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    REIVINDICACIONES
    1. Dispositivo de pila de combustible (100, 200) con un dispositivo de electrolito (110, 210) que comprende un equipo de electrolito basico (110B, 210B) y un equipo de electrolito acido (110S, 210S), estando configurado el dispositivo de pila de combustible (100, 200) de tal manera que al menos una parte de al menos un producto de reaccion que se produce en uno de los equipos de electrolito (110B; 210B, 210S) se puede suministrar al otro equipo de electrolito (110S; 210S, 210B), en el que el equipo de electrolito basico (110B, 210B) comprende al menos una zona conductora de aniones y el equipo de electrolito acido (110S, 210S) comprende al menos una zona conductora de cationes.
  2. 2. Dispositivo de pila de combustible (100, 200) de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que se puede suministrar por completo al menos un producto de reaccion (3) que se produce en uno de los equipos de electrolito (110B; 210B) al otro equipo de electrolito (110S; 210S).
  3. 3. Dispositivo de pila de combustible (500, 600, 700) de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en el que el equipo de electrolito acido (510S, 610S, 710S) comprende multiples zonas conductoras de cationes.
  4. 4. Dispositivo de pila de combustible (600, 700) de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en el que el equipo de electrolito basico (610B, 710B) comprende multiples zonas conductoras de aniones.
  5. 5. Dispositivo de pila de combustible (500, 600, 700) de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, en el que estan dispuestas de forma alternante zonas conductoras de aniones y zonas conductoras de cationes.
  6. 6. Dispositivo de pila de combustible (300, 400, 500, 600, 700) de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, con un dispositivo de catodo (320, 520, 620, 720) que comprende una unica camara de catodo y/o un dispositivo de anodo (430, 530, 630, 730) que comprende una unica camara de anodo.
  7. 7. Dispositivo de pila de combustible (700) de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6, en el que el dispositivo de electrolito (710) es una estructura coherente con composicion qmmica localmente diferente, formando zonas de composicion qmmica diferente las zonas basicas (B) y las zonas acidas (S).
  8. 8. Dispositivo de pila de combustible (100-700) de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en el que el dispositivo de electrolito (110-710) comprende una membrana.
  9. 9. Procedimiento para el funcionamiento de un dispositivo de pila de combustible (100) que comprende las etapas:
    facilitacion de un equipo de electrolito basico (110B) con al menos una zona conductora de aniones y un equipo de electrolito acido (110S) con al menos una zona conductora de cationes,
    suministro de al menos un combustible (1) y al menos un oxidante (2),
    evacuacion de productos de reaccion (1, 3, 4, 5), suministrandose al menos una parte de al menos un producto de reaccion (3) que se produce en un equipo de electrolito (110B) al otro equipo de electrolito (110S).
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