Método para localizar un abastecimiento deficiente de gas operacional de una celda de combustible en una instalación de celda de combustible.

Método para localizar un abastecimiento deficiente de gas operacional a una celda de combustible (3,

4,5) en una instalación de celda de combustible (2) con una cantidad de celdas de combustible, en el cual

a) el espacio del gas del ánodo de la cantidad de celdas de combustible (3,4,5) se carga con un gas combustible (H2) y el espacio del gas de cátodo de la cantidad de celdas de combustible (3,4,5) se carga con un 5 gas de oxidación (O2),

b) se interrumpe el suministro de gas operacional a ambos espacios de gas de las celdas de combustible (3,4,5),

c) uno de los dos espacios de gas de las celdas de combustible (3,4,5) se purga con un gas inerte (N2),

d) la evaluación temporal del voltaje de celda (U3, U4, U5) de las celdas de combustible (3,4,5) se monitorea y se identifica una celda de combustible (3,4,5) abastecida de manera deficiente por una caída más lenta del voltaje de celda en comparación con una celda de combustible intacta (3,4,5).

Método para localizar un abastecimiento deficiente de gas operacional de una celda de combustible en una instalación de celda de combustible

La invención se refiere a un método para localizar un abastecimiento deficiente de gas operacional de una celda de combustible en una instalación de celda de combustible según la reivindicación 1 de patente.

En una celda de combustible se genera corriente eléctrica con un alto grado de eficacia por el enlace electroquímico de hidrógeno (H2) y oxígeno (O2) en un electrolito para producir agua (H2O) . La conversión industrial de este principio de la celda de combustible ha conducido a diferentes soluciones y de hecho con diferentes electrolitos y temperaturas de operación entre 60º C y 1000º C. Depe ndiendo de su temperatura de operación, las celdas de combustible se dividen en celdas de combustible de baja, media y alta temperatura, las cuales se distinguen entre sí a su vez por diferentes formas industriales de realización.

Una celda de combustible individual suministra un voltaje de operación de máximo cerca de 1, 1 V. Por consiguiente una gran cantidad de celdas de combustible se agrupan en una instalación de celda de combustible, en el caso de celdas de combustible tubulares, por ejemplo en un haz de tubos, o en el caso de celdas de combustible planas en una pila que es parte componente de un bloque de celdas de combustible. Mediante la conexión en serie de las celdas de combustible de la instalación, el voltaje de operación de la instalación de celda de combustible puede ser de 100 V y más.

Una celda de combustible tiene un electrolito que, dependiendo de la realización industrial, es permeable a los iones de hidrógeno o de oxígeno. En un lado de electrolito colinda un ánodo y a su vez éste colinda con un espacio de gas de ánodo. En el otro lado del electrolito el cátodo colinda con la celda de combustible, a la cual se encuentra adyacente el espacio de gas de cátodo de la celda de combustible. Mediante una tarjeta de circuito impreso que conecta eléctricamente el ánodo de una primera celda de combustible con el cátodo de una celda de combustible adyacente a esta primera celda de combustible - o una conexión eléctrica constituida de manera diferente por un, así llamado, interconector – se hace posible una conexión en serie de varias celdas de combustible.

Durante la operación, a una celda de combustible se introduce un gas que contiene hidrógeno - en lo sucesivo llamado gas combustible - y un gas que contiene oxígeno – en lo sucesivo llamado gas de oxidación. Estos dos gases se denominan en lo sucesivo gases operacionales. Como gas combustible se usan, por ejemplo, metano, gas natural, gas pobre de hulla o también hidrógeno puro (H2) . Como gas de oxidación por lo regular se usa aire, pero también oxígeno puro (O2) . Para operar la celda de combustible el gas combustible se conduce al espacio de gas de ánodo de la celda de combustible, desde donde llega al electrolito a través del ánodo permeable a gas. El gas de oxidación se conduce al espacio de gas del cátodo de la celda de combustible y avanza desde allí también hacia el electrolito a través del cátodo igualmente permeable al gas. Dependiendo de la permeabilidad del electrolito para los iones de oxígeno o de hidrógeno, los iones de oxígeno pueden reunirse desde el gas de oxidación, y los iones de hidrógeno del gas combustible, en uno u otro lado del electrolito, por lo cual entonces se genera corriente y calor gracias al enlace electroquímico de hidrógeno y oxígeno para dar agua.

De la EP 1 487 044 A2 se conoce un método para determinar una fuga de gas entre ambos espacios de gas de las celdas de combustible en el que, en un primer paso, el espacio del gas del ánodo de las celdas de combustible se carga con un gas combustible y el espacio de gas del cátodo de las celdas de combustible se carga con un gas de oxidación. En un segundo paso se interrumpe la introducción de gas operacional a ambos espacios de gas y el espacio del gas del ánodo se purga con un gas inerte. En tal caso se monitorea la evolución temporal del voltaje de celda de las celdas de combustible. Aquí una celda defectuosa se caracteriza por una caída ostensiblemente más rápida del voltaje de celda en comparación con la celda de combustible intacta.

De la EP 1 444 746 B1 se conoce un método para determinar una fuga de gas entre ambos espacios de gas de las celdas de combustible, el cual se diferencia del método conocido por la EP 1 487 044 A2 en que en lugar del espacio de gas del ánodo, se purga el espacio de gas del cátodo.

Al operar una instalación de celda de combustible con celdas de combustible cuyos espacios de gas se abastecen en paralelo con los gases operacionales, los espacios de gas de las celdas de combustible deben abastecerse lo más uniformemente posible con los gases operacionales. Si una de las celdas de combustible se abastece peor con un gas operacional que las otras celdas de combustible, esto conduce a que el voltaje de celda de esta celda de combustible se encuentra ostensiblemente por debajo de la otra. Condiciones de operación de este tipo pueden conducir a largo plazo a una conductividad reducida irreversible de la celda de combustible abastecida de manera incompleta.

Para un abastecimiento uniforme de gas de operación, todas las celdas de combustible deben tener una resistencia a la corriente igual. Si una celda de combustible tiene una resistencia a la corriente más grande en comparación con

las otras celdas de combustible, esto puede conducir a un abastecimiento deficiente de gas operacional de la celda de combustible. Una resistencia a la corriente divergente y con esta, un abastecimiento deficiente de gas de operación a una celda de combustible puede causarse, por ejemplo, por deformaciones en la estructura mecánica de la instalación de celda de combustible, por lo cual se llega, por ejemplo, a una disminución del corte transversal de los canales de abastecimiento o de escape del gas operacional. Otra causa de una resistencia de corriente discrepante y con esto de un abastecimiento desigual de las celdas de combustible de la instalación de celda de combustible son los depósitos de materiales ajenos en la celda de combustible. Un abastecimiento deficiente de gas operacional también pueden, sin embargo, basarse en los defectos de la estructura de la unidad de electrodos – membrana. Entre estos se cuentan, por ejemplo, poros defectuosos en la capa limítrofe de 3 fases de electrodos, catalizador y membrana, la formación de películas de agua entre electrodos y membrana o una hidrofilia deficiente.

Por lo tanto, es objetivo de la presente invención indicar un método con el cual puede localizarse un abastecimiento deficiente de gas operacional a una celda de combustible en una instalación de celda de combustible.

Este objetivo se logra mediante un método de acuerdo con la reivindicación 1 de la patente. Modalidades ventajosas del método son respectivamente objetivo de las reivindicaciones dependientes.

El método de acuerdo con la invención prevé que a) se cargue el espacio del gas del ánodo de las celdas de combustible con un gas combustible y se cargue el espacio de gas del cátodo de la cantidad de celdas de combustible con un gas de oxidación, b) se interrumpa la introducción del gas operacional a ambos espacios de gas de las celdas de combustible, c) se purgue uno de los dos espacios de gas de las celdas de combustible con un gas inerte, d) se monitoree la evaluación temporal del voltaje de celda de las celdas de combustible.

Si el espacio del gas del ánodo de las celdas de combustible se carga con un gas combustible y el espacio de gas del cátodo de las celdas de combustible se carga con un gas de oxidación, en todas las celdas de combustible se genera un determinado voltaje de celda. Si se interrumpe la introducción de gas operacional a ambos espacios de gas de las celdas de combustible y se purga uno de los dos espacios de gas de las celdas de combustible con un gas inerte, entonces el voltaje de celda se reduce lentamente. La razón de esto es que al purgar con el gas inerte, el gas operacional aún presente en el espacio de gas se desplaza por el gas inerte y se aparta del espacio de gas y con esto ya no está disponible para una reacción electroquímica con el gas operacional presente en el espacio de gas no purgado. Reduciendo el gas operacional en el espacio de gas purgado desciende el voltaje de salida de la celda de combustible.

Tal como se ha comprobado, en una celda de combustible defectuosa,... [Seguir leyendo]

1. Método para localizar un abastecimiento deficiente de gas operacional a una celda de combustible (3, 4, 5) en una instalación de celda de combustible (2) con una cantidad de celdas de combustible, en el cual a) el espacio del gas del ánodo de la cantidad de celdas de combustible (3, 4, 5) se carga con un gas combustible (H2) y el espacio del gas de cátodo de la cantidad de celdas de combustible (3, 4, 5) se carga con un gas de oxidación (O2) , b) se interrumpe el suministro de gas operacional a ambos espacios de gas de las celdas de combustible (3, 4, 5) , c) uno de los dos espacios de gas de las celdas de combustible (3, 4, 5) se purga con un gas inerte (N2) , d) la evaluación temporal del voltaje de celda (U3, U4, U5) de las celdas de combustible (3, 4, 5) se monitorea y se identifica una celda de combustible (3, 4, 5) abastecida de manera deficiente por una caída más lenta del voltaje de celda en comparación con una celda de combustible intacta (3, 4, 5) .

2. Método según la reivindicación 1, en el que al monitorear la evolución temporal del voltaje de celda (U3, U4, U5) de las celdas de combustible (3, 4, 5) se comparan los tiempos (Lt3, Lt4, Lt5) en los que el voltaje de celda (U3, U4, U5) de las celdas de combustible individuales o respectivamente de un grupo de celdas de combustible ha caído desde un primer valor (UL) al inicio del purgado con el gas inerte (N2) a un segundo valor (0, 5*UL) .

3. Método según la reivindicación 1, en el que al monitorear la evolución temporal del voltaje de celda (U3, U4, U5) de las celdas de combustible (3, 4, 5) los valores del voltaje de celda de las celdas de combustible individuales o respectivamente de un grupo de celdas de combustible se comparan al transcurrir un tiempo predeterminado (Lt3) después de iniciar el purgado con el gas inerte (N2) .

4. Método según una de las reivindicaciones precedentes, realizado a operación de las celdas de combustible sin carga.

5. Método según una de las reivindicaciones precedentes, en el que durante el monitoreo de la evolución temporal del voltaje de celda el espacio del gas se purga continuamente.

6. Método según una de las reivindicaciones precedentes, realizado de acuerdo con una operación regular de la instalación de celda de combustible (2) , en cuyo caso la carga del espacio de gas del ánodo con el gas combustible (H2) y del espacio del gas del cátodo con gas de oxidación (O2) se efectúa durante la operación regular.

7. Método según una de las reivindicaciones precedentes, realizado como método de desconexión para la instalación de la celda de combustible (2) .

8. Método según una de las reivindicaciones precedentes, en el que la presión del gas dentro de ambos espacios de gas de las celdas de combustible (3, 4, 5) se lleva a un valor predeterminado antes de purgar con el gas inerte (N2) .

9. Método según una de las reivindicaciones precedentes, en el que se monitorea individualmente el voltaje de celda (U3, U4, U5) de cada una de las celdas (3, 4, 5) .

10. Método según una de las reivindicaciones 1 a 8, en el que el voltaje de celda de las celdas se monitorea en grupos de varias celdas.

11. Método según una de las reivindicaciones precedentes, en el que como gas inerte se usa nitrógeno (N2) .

12. Método según una de las reivindicaciones precedentes, aplicado a celdas de combustible que están diseñadas para la operación con oxígeno puro (O2) y con hidrógeno puro (H2) .

13. Método según una de las reivindicaciones precedentes, aplicado a celdas de combustible PEM.