Un sistema de energía de células de combustible que comprende:

una pluralidad de células de combustible conectadas eléctricamente con terminales plurales y configuradas individualmente para convertir energía química en electricidad, y

un sistema de control digital configurado para al menos uno de controlar y monitorizar un funcionamiento de las células de combustible, caracterizado porque las células de combustible están configuradas para ser desactivadas selectivamente de manera individual y unas células de combustible restantes están configuradas para proporcionar electricidad a los terminales con otra de las células de combustible desactivadas

Sistemas de energía de células de combustible y procedimientos de control de un sistema de energía de células de combustible.

Campo técnico

La presente invención se refiere a sistemas de energía de células de combustible y procedimientos de control de un sistema de energía de células de combustible.

Técnica antecedente

Las células de combustible son bien conocidas en la técnica. La célula de combustible es un dispositivo electroquímico que hace reaccionar hidrógeno y oxigeno, que normalmente es suministrado del aire ambiente, para producir electricidad y agua. El procedimiento básico es altamente eficiente y las células de combustible abastecidas directamente por hidrógeno están sustancialmente libres de contaminación. Además, como las células de combustible pueden ser ensambladas en pilas de diversos tamaños, se han desarrollado sistemas de energía para producir una amplia gama de niveles de potencia de salida eléctrica y de este modo pueden emplearse en numerosas aplicaciones industriales.

Aunque los procesos electromecánicos fundamentales implicados en todas las células de combustible son perfectamente comprendidos, las soluciones de ingeniería han resultado ser difíciles de alcanzar para hacer fiables ciertos tipos de célula de combustible, y económicos para otros. En el caso de sistemas de célula de combustible de membrana de electrolito de polímero (PEM) la fiabilidad de los sistemas de energía de células de combustible no ha sido la inquietud impulsora hasta la fecha, sino más bien lo ha sido el coste instalado por vatio de capacidad de generación. Para reducir más el coste por vatio de las células de combustible PEM, mucha atención ha estado dirigida a incrementar la potencia de salida de las mismas. Históricamente, esto ha tenido como resultado sistemas adicionales sofisticados de instalaciones complementarias de la central que son necesarios para optimizar y mantener elevada potencia de salida de las células de combustible PEM. Una consecuencia de los sistemas de las instalaciones complementarias de la central altamente complicados es que no se puede reducir fácilmente su escala para aplicaciones de baja capacidad. Por consiguiente, el coste, la eficiencia, la fiabilidad y los gastos de mantenimiento se ven afectados negativamente todos ellos en las aplicaciones de baja generación.

Es bien conocido que las células de combustible de una sola PEM producen un voltaje útil de sólo aproximadamente 0,45 a aproximadamente 0,7 voltios de CC por célula bajo una carga. Las plantas de célula de combustible PEM prácticas han sido construidas a partir de múltiples células apiladas juntas de manera que están conectadas eléctricamente en serie. Además es bien sabido que las células de combustible PEM pueden funcionar a niveles de potencia de salida más altos cuando se dispone de humidificación suplementaria para la membrana de intercambio de protones (electrolito). En este aspecto, la humidificación baja la resistencia de las membranas de intercambio de protones al flujo de protones. Para lograr esta humidificación incrementada, puede introducirse agua suplementaria dentro de las corrientes de hidrógeno u oxigeno por diversos procedimientos, o más directamente en la membrana de intercambio de protones por medio del fenómeno físico conocido como efecto de mecha, por ejemplo. Sin embargo, el foco de investigación en los últimos años ha sido desarrollar montajes de electrodo de membrana (MEA) con potencia de salida cada vez más mejorada cuando funcionan sin humidificación suplementaria. Poder hacer funcionar un MEA cuando está auto-humidificado es ventajoso porque disminuye la complejidad de las instalaciones complementarias de la central con sus costes asociados. Sin embargo, hasta ahora la auto-humidificación ha tenido como resultado células de combustible que funcionan a densidades de corriente inferiores y así, a su vez, ha tenido como resultado que se requieren más montajes de estos para generar una cantidad de energía dada.

Aunque células de combustible PEM de diversos diseños ha funcionado con grados de éxito variables, también han tenido deficiencias que han restado valor a su utilidad. Por ejemplo, los sistemas de energía de células de combustible PEM tienen típicamente varias células de combustible individuales que están conectadas eléctricamente en serie (apiladas) entre sí de manera que el sistema de energía puede tener un mayor voltaje de salida. En esta disposición, si una de las células de combustible de la pila falla, ya no contribuye al voltaje y la energía. Uno de los fallos más comunes de tales sistemas de energía de células de combustible PEM es que un montaje de electrodo de membrana (MEA) se hidrata menos que otros MEAs en la misma pila de células de combustible. Esta pérdida de hidratación de membrana incrementa la resistencia eléctrica de la célula de combustible afectada, y así tiene como resultado que se genera más calor residual. A su vez, este calor adicional seca el montaje de electrodo de membrana. Esta situación crea una espiral de hidratación negativa. El sobrecalentamiento continuo de la célula de combustible puede hacer finalmente que la polaridad de la célula de combustible afectada se invierta de manera que ahora empieza a disipar energía eléctrica del resto de las células de combustible de la pila. Si no se rectifica esta condición, el calor excesivo generado por la célula de combustible que falla puede hacer que el montaje de electrodo de membrana se perfore y de ese modo pierda hidrógeno. Cuando se produce esta perforación la pila de células de combustible debe ser desmontada completamente y reparada. Dependiendo del diseño de pila de células de combustible que se emplee, esta reparación o sustitución puede ser un esfuerzo costoso y que lleva mucho tiempo.

Además, los diseñadores han buscado desde hace mucho un medio por el cual puedan aumentarse las densidades de corriente de las células de combustible PEM auto-humidificadas sin incrementar simultáneamente los requisitos de instalaciones complementarias de la central para estos mismos dispositivos.

El documento XP004174980 "Development of a hybrid fuel cell/battery powered electric vehicle", de M. Nadal y F. Barbir describe el diseño y rendimiento de un prototipo de vehículo eléctrico sin emisiones, impulsado fundamentalmente por células de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) de respiración de aire que usan hidrógeno gaseoso como combustible. El sistema de células de combustible está compuesto de las pilas de células de combustible, el depósito de hidrógeno, el compresor de aire, las válvulas de solenoide, los reguladores de presión, la bomba de agua, el depósito de agua, los intercambiadores de calor, los sensores, el controlador programable y el regulador de voltaje. El sistema de batería proporciona energía al vehículo durante periodos de demanda máxima de energía como la aceleración del vehículo o el desplazamiento a una velocidad constante elevada. Las baterías también proporcionan energía para iniciar el arranque de las células de combustible.

En el documento WO 98/13891 una célula de combustible de membrana de electrolito de polímero (PEM) está provista de electrodos alimentados con un reactivo en cada lado de un montaje de membrana catalizada (CMA). La célula de combustible incluye una malla metálica que define un patrón de campo de flujo rectangular que tiene una entrada en una primera esquina y una salida en una segunda esquina ubicada sobre una diagonal desde la primera esquina. Todos los recorridos de flujo de la entrada a la salida a través del patrón de campo de flujo cuadrado son equivalentes para distribuir uniformemente el reactivo sobre el CMA.

El documento EP0827226A2 describe un procedimiento y aparato para monitorizar el rendimiento de las células de combustible PEM de H2-O2. Las salidas de un monitor de voltaje de célula/pila y un sensor de gas H2 de escape de cátodo son corregidas para las condiciones de funcionamiento de la pila, y luego comparadas con niveles predeterminados de aceptabilidad. Si coexisten ciertas condiciones inaceptables, se alerta a un operador y/o se emprenden automáticamente medidas correctivas.

El documento WO91/19328 desvela un procedimiento y aparato para monitorizar el rendimiento de células de combustible dispuestas en serie. El procedimiento y aparato implican la medición y comparación de indicadores de rendimiento de células de combustible, como el voltaje, en grupos de células conectadas en serie.

En el documento US4.782.669 se establece que las células de combustible basadas en energía en ráfagas...

1. Un sistema de energía de células de combustible que comprende:

2. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 1 en el que el sistema de control está configurado para controlar el funcionamiento.

3. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 1 en el que el sistema de control está configurado para monitorizar el funcionamiento.

4. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 1 en el que las células de combustible están conectadas en serie.

5. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 1 en el que el sistema de control comprende una pluralidad de controladores distribuidos.

6. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 5 en el que los controladores distribuidos están configurados en una relación de maestro/esclavo.

7. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 1 en el que las células de combustible comprenden células de combustible de membrana de electrolito de polímero.

8. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 1 en el que las células de combustible están configuradas individualmente para ser físicamente desmontables.

9. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 1 en el que las células de combustible están configuradas individualmente para ser derivadas eléctricamente.

10. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 1 que además comprende una pluralidad de dispositivos conmutadores configurados para poner en derivación selectivamente células de combustible respectivas.

11. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 10 en el que el sistema de control está configurado para monitorizar al menos una característica eléctrica de las células de combustible y para controlar los dispositivos conmutadores en respuesta a la monitorización.

12. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 1 que además comprende:

13. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 12 en el que el sistema de control está configurado para monitorizar la temperatura usando el sensor de temperatura y para controlar el montaje de control de temperatura del aire en respuesta a la monitorización para mantener la temperatura dentro del alojamiento dentro de un intervalo predefinido.

14. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 12 en el que el sistema de control está configurado para monitorizar la temperatura usando el sensor de temperatura y para controlar el montaje de control de temperatura del aire en respuesta a la monitorización para mantener la temperatura dentro del alojamiento dentro de un intervalo predefinido de 25º Celsius a 80º Celsius.

15. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 1 que además comprende un ventilador configurado para dirigir aire a las células de combustible, y el sistema de control está configurado para controlar el ventilador.

16. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 1 que además comprende una pluralidad de válvulas configuradas para suministrar combustible a células de combustible respectivas, y el sistema de control está configurado para controlar las válvulas.

17. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 1 que además comprende una válvula principal configurada para suministrar combustible a las células de combustible, y el sistema de control está configurado para controlar la válvula principal.

18. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 1 que además comprende un puerto de comunicación adaptado para conectarse con un dispositivo remoto, y el sistema de control está configurado para comunicarse con el dispositivo remoto a través del puerto de comunicación.

19. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 18 en el que el sistema de control está configurado para implementar una operación de apagado para desactivar una o más células de combustible.

20. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 19 en el que la operación de apagado desactiva todas las células de combustible.

21. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 1 que además comprende un dispositivo conmutador intermedio a uno de los terminales y las células de combustible, y el sistema de control está configurado para controlar el dispositivo conmutador.

22. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 1 que además comprende:

23. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 1 en el que las células de combustible están provistas en una pluralidad de cartuchos.

24. Un procedimiento de control de un sistema de energía de células de combustible que comprende:

25. El procedimiento según la reivindicación 24 que además comprende monitorizar el funcionamiento de las células de combustible.

26. El procedimiento según la reivindicación 24 que además comprende controlar el funcionamiento de las células de combustible.

27. El procedimiento según la reivindicación 24 en el que el hecho de conectar el sistema de control comprende conectar una pluralidad de controladores distribuidos.

28. El procedimiento según la reivindicación 24 en el que el hecho de proporcionar las células de combustible comprende proporcionar células de combustible de membrana de electrolito de polímero.

29. El procedimiento según la reivindicación 24 que además comprende desactivar al menos una de las células de combustible.

30. El procedimiento según la reivindicación 29 en el que la desactivación comprende desmontar físicamente.

31. El procedimiento según la reivindicación 29 en el que la desactivación comprende derivar eléctricamente.

32. El procedimiento según la reivindicación 24 que además comprende poner en derivación selectivamente al menos una de las células de combustible.

33. El procedimiento según la reivindicación 24 que además comprende:

34. El procedimiento según la reivindicación 24 que además comprende mantener una temperatura del aire alrededor de las células de combustible en un intervalo predefinido.

35. El procedimiento según la reivindicación 24 que además comprende mantener una temperatura del aire alrededor de las células de combustible en un intervalo predefinido de 25º Celsius a 80º Celsius.

36. El procedimiento según la reivindicación 24 que además comprende dirigir aire a las células de combustible usando un ventilador.

37. El procedimiento según la reivindicación 36 que además comprende:

38. El procedimiento según la reivindicación 24 que además comprende:

39. El procedimiento según la reivindicación 24 que además comprende:

40. El procedimiento según la reivindicación 24 que además comprende:

41. El procedimiento según la reivindicación 24 que además comprende:

42. El procedimiento según la reivindicación 24 que además comprende:

43. El procedimiento según la reivindicación 42 en el que la implementación desactiva una o más de las células de combustible.

44. El procedimiento según la reivindicación 42 en el que la implementación desactiva todas las células de combustible.