Sistema de potencia de célula de combustible que comprende:

una célula de combustible que tiene un cátodo y un ánodo adaptados para su acoplamiento a un suministro de combustible,

y que está configurada para producir potencia eléctrica que tiene una salida de corriente y de voltaje;

circuitos que comprenden un detector de voltaje configurado para medir el voltaje de la célula de combustible y un detector de corriente configurado para medir la corriente de la célula de combustible; y

un controlador acoplado eléctricamente a la célula de combustible, el detector de voltaje, y el detector de corriente, y configurado para llevar a cabo, de vez en cuando, una operación de derivación incluyendo el cortocircuito del ánodo y el cátodo, estando el controlador configurado, además, para determinar la resistencia equivalente en serie de la célula de combustible, basándose en cambios de corriente y voltaje durante la operación de derivación, estando el controlador configurado, además, para controlar el funcionamiento de la célula de combustible, basándose en la resistencia equivalente en serie.

Método y aparato para el control de la resistencia equivalente en serie y para la derivación de una célula de combustible 5

Sector técnico La invención se refiere a células de combustible. La invención se refiere también a determinar resistencia en serie equivalente de células de combustible y a la derivación o ("shunting") de células de combustible.

Antecedentes de la técnica Las células de combustible son bien conocidas en la técnica. Una célula de combustible es un dispositivo electroquímico que hace reaccionar un combustible y un oxidante para producir electricidad y agua. Un combustible típico suministrado a una célula de combustible es del hidrógeno, y un oxidante típico suministrado a una célula de combustible es el oxígeno (o aire ambiente) . Otros combustibles u oxidantes pueden ser utilizados dependiendo de las condiciones de funcionamiento.

El proceso básico en una célula de combustibles es muy eficaz, y para las células de combustible que reciben directamente como combustible, hidrógeno, no producen contaminación. Además, dado que las células de combustible pueden ser montadas en apilamientos de diferentes dimensiones, se han desarrollado sistemas de potencia para producir una amplia gama de potencias eléctricas y, por lo tanto, se pueden utilizar en numerosas aplicaciones comerciales. Se tomará como ejemplo las siguientes patentes US Nos. 4, 599, 282; 4, 590, 135; 4, 599, 582; 4, 689, 280; 5, 242, 764; 5, 858, 569; 5, 981, 098; 6, 013, 386; 6, 017, 648; 6, 030, 718; 6, 040, 072; 6, 040, 076;

25 6, 096, 449; 6, 132, 895; 6, 171, 720; 6, 207, 308; 6, 218, 039; y 6, 26, 710.

Una célula de combustible produce una fuerza electromotriz por la reacción del combustible y el oxígeno en los respectivos interfaces de electrodos, que comparten un electrolito común.

En una célula de combustible, el combustible, tal como hidrógeno gaseoso, es introducido en un primer electrodo (ánodo) , donde reacciona electroquímicamente en presencia de un catalizador para producir electrones y protones. Los electrones se hacen circular desde un primer electrodo a un segundo electrodo (cátodo) a través de un circuito eléctrico que acopla estos respectivos electrodos. Además, los protones pasan a través del electrolito al segundo electrodo (cátodo) . Simultáneamente, un oxidante, tal como oxígeno gaseoso (o aire) , es introducido en un segundo electrodo, en el que el oxidante reacciona electroquímicamente en presencia del catalizador, y es combinado con los electrones procedentes del circuito eléctrico y los protones (que han atravesado el electrolito) , formando agua. Esta reacción completa el circuito eléctrico.

Tienen lugar las siguientes reacciones de semicélula: 40

Tal como se ha indicado en lo anterior, el electrodo del lado del combustible es el ánodo, y el electrodo del lado del oxígeno es el cátodo. El circuito eléctrico externo transporta la corriente eléctrica generada y, por lo tanto, puede 45 extraer potencia eléctrica de la célula. La reacción total en la célula produce energía eléctrica, que es la suma de las reacciones de las semicélulas separadas, que tienen lugar, en la célula de combustible, menos sus pérdidas internas.

Si bien, los procesos electroquímicos fundamentales involucrados en todas las células de combustible son bien 50 conocidos, las soluciones técnicas se han mostrado difíciles para conseguir que ciertos tipos de células de combustible sean fiables y que otros tipos sean económicas. En el caso de sistemas de potencia de célula de combustible con membrana de electrolito polímero (PEM) , la fiabilidad no ha sido la mayor preocupación hasta el momento, sino el coste de instalación por vatio de capacidad de generación. Más recientemente, y a efectos de reducir adicionalmente los costes de una célula de combustible PEM por vatio, se ha prestado gran atención al 55 incremento de la potencia producida de las mismas. De manera histórica, esto ha tenido como resultado sistemas adicionales sofisticados de equilibrio de la instalación ("balance of plant") , que son necesarios para optimizar y mantener una elevada producción de potencia de una célula de combustible PEM. Una consecuencia de los sistemas de equilibrio de instalación muy complejos es que no son fácilmente desescalables para conseguir aplicaciones de baja capacidad. Como consecuencia, el coste, eficacia, fiabilidad y gastos de mantenimiento 60 quedan, todos ellos, afectados adversamente en aplicaciones de baja generación.

Es conocido que las células de combustible PEM pueden funcionar a niveles de producción de potencia más elevados cuando se facilita una humidificación suplementaria a la membrana de intercambio de protones (electrolito) . A este respecto, la humidificación reduce la resistencia de la membrana de intercambio de protones con respecto al flujo de protones. Para conseguir esta humidificación incrementada, se puede introducir agua suplementaria en la corriente de hidrógeno o de oxígeno por diferentes métodos, o más directamente, a la membrana de intercambio de protones por medio, por ejemplo, del fenómeno físico conocido como capilaridad ("wicking") . No obstante, en estos últimos años, el objetivo de las investigaciones ha sido desarrollar conjuntos de electrodo de membrana (MEA) con producciones de potencia mejoradas cuando funcionan con humidificación suplementaria. El tener la capacidad de hacer funcionar un MEA cuando es autohumidificado es ventajoso porque disminuye la complejidad del equilibrio de la instalación con los costes asociados al mismo. No obstante, la autohumidificación ha sido posible, hasta el momento, en células de combustible que funcionan con densidades de corriente más bajas y, por lo tanto, a su vez, ello ha resultado en que se requiere un número mayor de estos conjuntos para generar una magnitud de potencia determinada.

Si bien, células de combustible PEM de diferentes diseños han funcionado con grados de éxito variables, también han tenido inconvenientes que han disminuido su utilidad. Por ejemplo, los sistemas de potencia de células de combustible PEM tienen, de manera típica, una serie de células de combustible individuales que están conjuntamente conectadas eléctricamente en serie (apiladas) , de manera que el sistema de potencia puede tener un voltaje de salida incrementado. En esta disposición, si una de las células de combustible del apilamiento falla, deja de aportar voltaje y potencia. Uno de los fallos más habituales de dichos sistemas de potencia de células de combustible PEM es aquél en el que un conjunto de electrodo de membrana (MEA) resulta menos hidratado que otros MEA en el mismo apilamiento de células de combustible. Esta pérdida de hidratación de la membrana aumenta la resistencia eléctrica de la célula de combustible afectada y, por lo tanto, tiene como resultado una mayor cantidad de calor desperdiciada. A su vez, el calor adicional seca el conjunto del electrodo de membrana. Esta situación crea una espiral de hidratación negativa. El continuo sobrecalentamiento de la célula de combustible puede provocar eventualmente la inversión de la polaridad de la célula de combustible afectada, de manera que empezará, a continuación, a disipar potencia eléctrica del resto de células de combustible del apilamiento. Si no se corrige esta situación, el calor excesivo generado por la célula de combustible que falla provocará que el conjunto del electrodo de membrana se perfore y, por lo tanto, pierda hidrógeno por fugas. Cuando tiene lugar esta perforación, el apilamiento de células de combustible debe ser completamente desmontado y reparado. Dependiendo del diseño del apilamiento de células de combustible utilizado, esta reparación o sustitución puede ser una labor costosa y que requiera mucho tiempo.

Algunos de estos problemas son solucionados por sistemas de células de combustible que comprenden módulos desmontables, tal como se describe en varias patentes propiedad de la solicitante. Por ejemplo, la patente US propiedad de la solicitante No. 6.218.035 de Fuglevand y otros, da a conocer un sistema de potencia de célula de combustible con membrana de intercambio de protones que incluye una serie de módulos de célula de combustible separados que tienen múltiples conjuntos de difusión de electrodos de membrana. Cada uno de los conjuntos de difusión de electrodos de membrana tiene lados opuestos de ánodo y de cátodo. Los colectores actuales están dispuestos individualmente en contacto eléctrico óhmico yuxtapuesto con lados opuestos de ánodo y de cátodo de cada uno de los conjuntos de difusión de electrodos de membrana. Los... [Seguir leyendo]

1. Sistema de potencia de célula de combustible que comprende:

una célula de combustible que tiene un cátodo y un ánodo adaptados para su acoplamiento a un suministro de combustible, y que está configurada para producir potencia eléctrica que tiene una salida de corriente y de voltaje;

circuitos que comprenden un detector de voltaje configurado para medir el voltaje de la célula de combustible y un detector de corriente configurado para medir la corriente de la célula de combustible; y un controlador acoplado eléctricamente a la célula de combustible, el detector de voltaje, y el detector de corriente, y configurado para llevar a cabo, de vez en cuando, una operación de derivación incluyendo el cortocircuito del ánodo y el cátodo, estando el controlador configurado, además, para determinar la resistencia equivalente en serie de la célula de combustible, basándose en cambios de corriente y voltaje durante la operación de derivación, estando el controlador configurado, además, para controlar el funcionamiento de la célula de combustible, basándose en la resistencia equivalente en serie.

2. Sistema de potencia de célula de combustible, según la reivindicación 1, que comprende además un conmutador eléctrico que tiene una situación de abierto y cerrado, en el que el controlador está configurado para provocar selectivamente que el conmutador eléctrico se desplace entre las situaciones eléctricas de abierto y cerrado, y en el que la célula de combustible tiene parámetros de rendimiento que comprenden las salidas de corriente y voltaje, y en el que en el primer estado, la salida de voltaje de la célula de combustible es menor que los parámetros de rendimiento, y en el que en el segundo estado, el conmutador eléctrico está configurado para abrir y cerrar periódicamente durante el ciclo de servicio, para provocar un incremento resultante de la salida de potencia eléctrica de la célula de combustible.

3. Sistema de potencia de célula de combustible, según la reivindicación 1, que comprende además un conmutador eléctrico que tiene una situación de abierto y cerrado, en el que el controlador está configurado para provocar selectivamente que el conmutador eléctrico se desplace entre las situaciones eléctricas de abierto y cerrado, y en el que la célula de combustible tiene parámetros de rendimiento que comprenden las salidas de corriente y voltaje, y en el que en el segundo estado, la célula de combustible tiene un ciclo de funcionamiento y de servicio, y en el que los ciclos de funcionamiento y de servicio son ajustados individualmente y selectivamente por el controlador, por lo menos en parte, por preferencia los parámetros de rendimiento de la célula de combustible.

4. Sistema de potencia de célula de combustible, según la reivindicación 1, que comprende además un conmutador eléctrico que tiene una situación de abierto y cerrado, en el que el controlador está configurado para provocar selectivamente que el conmutador eléctrico se desplace entre las situaciones eléctricas de abierto y cerrado, y en el que la célula de combustible tiene parámetros de rendimiento que comprenden las salidas de corriente y voltaje, y en el que en el segundo estado, la célula de combustible tiene un ciclo de servicio y un ciclo de funcionamiento comprendido, aproximadamente, desde 0, 01 segundos a unos 4 minutos, y en el que los ciclos de funcionamiento y de servicio son ajustados individualmente y selectivamente por el controlador, por lo menos en parte, por referencia a los parámetros de rendimiento cambiantes de la célula de combustible en comparación con respecto a los parámetros de rendimiento de otras células de combustible.

5. Sistema de potencia de célula de combustible, según la reivindicación 1, en el que la célula de combustible está acoplada eléctricamente en serie con otra célula.

6. Sistema de potencia de célula de combustible, según la reivindicación 5, en el que el controlador está acoplado eléctricamente con cada una de las células de combustible para cortocircuitar corriente entre el ánodo y el cátodo de células de combustible seleccionadas.

7. Sistema de potencia de célula de combustible, según la reivindicación 6, en el que la célula de combustible tiene un ciclo de servicio y un ciclo de funcionamiento comprendido entre 0, 01 segundos y unos 4 minutos, y en el que en el segundo estado, el controlador que está acoplado con cada una de las células de combustible está configurado para derivar periódicamente la corriente durante el ciclo de servicio entre el ánodo y el cátodo de cada una de las células de combustible para provocar una salida incrementada resultante de la potencia eléctrica de las células de combustible acopladas eléctricamente en serie.

8. Sistema de potencia de célula de combustible, según la reivindicación 7, en el que en el segundo estado, el controlador está configurado para provocar que los ciclos de servicio y de funcionamiento sean ajustados selectivamente de modo individual para optimizar la salida de potencia eléctrica de las respectivas células de combustible, de manera que la salida de potencia eléctrica de las células de combustible conectadas eléctricamente en serie aumenta en un mínimo de 5% aproximadamente, y en el que la duración de cortocircuito durante el ciclo de servicio es menor de aproximadamente 20% del ciclo de funcionamiento.

9. Sistema de potencia de célula de combustible, según la reivindicación 8, en el que el conmutador eléctrico comprende un transistor con efecto de campo, y en el que el controlador que puede funcionar para cortocircuitar el ánodo y el cátodo de cada una de las células de combustible conectadas en serie comprende, además, circuitos eléctricos pasivos de derivación, que funcionan en el fallo del transistor con efecto de campo, cortocircuitando entre el ánodo y el cátodo de cada una de las células de combustible.

10. Sistema de potencia de célula de combustible, según la reivindicación 9, en el que el circuito eléctrico de derivación pasivo comprende un diodo, y el controlador en un controlador digital.

11. Método de potencia de una célula de combustible, que comprende:

disponer una célula de combustible que tiene un cátodo y un ánodo adaptada para ser acoplada a un suministro de combustible; y configurada para producir potencia eléctrica, teniendo una salida de corriente y de voltaje;

derivar selectivamente la célula de combustible derivando el ánodo, de la célula de combustible al cátodo de la misma; y determinar la resistencia equivalente en serie de la célula de combustible basándose en los cambios de corriente y voltaje durante la derivación.

12. Sistema de potencia de célula de combustible, según la reivindicación 11, en el que la determinación de la resistencia equivalente en serie de la célula de combustible comprende la determinación de la caída de voltaje de la célula de combustible provocada por el cortocircuito, determinando el incremento de corriente de la célula de combustible provocado por el cortocircuito, y dividiendo la caída de voltaje de la célula de combustible por el incremento de corriente de la célula de combustible.

13. Sistema de potencia de célula de combustible, según la reivindicación 11, en el que la determinación de la resistencia equivalente en serie de la célula de combustible comprende la determinación de los cambios de voltaje y corriente de la célula entre un tiempo durante la derivación, y un tiempo después de la misma, y dividiendo los cambios de voltaje de la célula de combustible por los cambios de corriente de dicha célula de combustible.

14. Sistema de potencia de célula de combustible, según la reivindicación 11, que comprende, además, la utilización de un conmutador eléctrico que tiene situaciones eléctricas de abierto y cerrado, y utilizando un controlador que provoca que el conmutador eléctrico se desplace entre la situación eléctrica abierta y cerrada para cortocircuitar selectivamente el ánodo al cátodo, de manera que la célula de combustible tiene parámetros predeterminados de rendimiento, comprendiendo salidas de corriente y voltaje, y en el que en el primer estado, la salida de voltaje de la célula de combustible es menor que los parámetros predeterminados de rendimiento, y en el que en el segundo estado, el conmutador eléctrico se abre y cierra periódicamente durante el ciclo de servicio para provocar un incremento resultante en la salida de potencia eléctrica de la célula de combustible.

15. Sistema de potencia de célula de combustible, según la reivindicación 11, que comprende, además, la utilización de un conmutador eléctrico que tiene situaciones eléctricas de abierto y cerrado, y utilizando un controlador que provoca que el conmutador eléctrico se desplace entre la situación eléctrica abierta y cerrada para cortocircuitar selectivamente el ánodo al cátodo, de manera que la célula de combustible tiene parámetros predeterminados de rendimiento, comprendiendo salidas de corriente y voltaje, y en el que en el segundo estado, la célula de combustible tiene un ciclo de funcionamiento y de servicio, y en el que los ciclos de funcionamiento y de servicio son ajustados individualmente y selectivamente por el controlador, como mínimo en parte, por referencia a los parámetros de rendimiento de la célula de combustible.

16. Sistema de potencia de célula de combustible, según la reivindicación 11, que comprende, además, la utilización de un conmutador eléctrico que tiene situaciones eléctricas de abierto y cerrado, y utilizando un controlador que provoca que el conmutador eléctrico se desplace entre la situación eléctrica abierta y cerrada para cortocircuitar selectivamente el ánodo al cátodo, de manera que la célula de combustible tiene parámetros predeterminados de rendimiento, comprendiendo salidas de corriente y voltaje, y en el que en el segundo estado, la célula de combustible tiene un ciclo de servicio y un ciclo de funcionamiento de, aproximadamente, 0, 01 segundos a unos 4 minutos, y en el que los ciclos de funcionamiento y de servicio son ajustados individualmente y selectivamente por el controlador, como mínimo en parte, por referencia a los parámetros de rendimiento cambiantes de la célula de combustible en comparación relativa con los parámetros de rendimiento de otras células de combustible.

17. Sistema de potencia de célula de combustible, según la reivindicación 11, que comprende, además, el acoplamiento eléctrico en serie de la célula de combustible con otra célula.

18. Sistema de potencia de célula de combustible, según la reivindicación 17, que comprende, además, la utilización de un controlador, acoplado eléctricamente con células de combustible individuales, para derivar corriente entre el ánodo y el cátodo de las células de combustible seleccionadas.

19. Sistema de potencia de célula de combustible, según la reivindicación 18, en el que la célula de combustible tiene un ciclo de servicio y un ciclo de funcionamiento de 0, 01 segundos a unos 4 minutos, y en el que en el segundo estado, el controlador que está acoplado con cada una de las células de combustible pone en cortocircuito periódicamente durante el ciclo de servicio entre el ánodo y el cátodo de respectivas de combustible, cortocircuita durante el ciclo de servicio entre el ánodo y el cátodo de respectivas células de combustible para provocar una salida de potencia eléctrica incrementada desde células de combustible acopladas eléctricamente.

20. Sistema de potencia de célula de combustible, según la reivindicación 19, en el que en el segundo estado, los ciclos de servicio y de funcionamiento son ajustados individualmente y selectivamente para optimizar la salida de potencia eléctrica de las respectivas células de combustible, y en el que la salida de potencia eléctrica de las células de combustible conectadas eléctricamente en serie aumenta en un mínimo de 5%, y en el que la duración de la derivación durante el ciclo de servicio es menor de, aproximadamente 20% del ciclo de funcionamiento.

21. Sistema de potencia de célula de combustible, según la reivindicación 18, en el que el conmutador eléctrico comprende un transistor con efecto de campo, y en el que el controlador que puede funcionar derivando corriente entre el ánodo y el cátodo, de cada una de las células de combustible conectadas en serie, comprende además, circuitos eléctricos pasivos de derivación que funcionan cuando tiene lugar el fallo del transistor con efecto de campo para derivar la corriente entre el ánodo y el cátodo de cada una de las células de combustible.

22. Sistema de potencia de célula de combustible, según la reivindicación 21, en el que el circuito eléctrico pasivo 25 de derivación comprende un diodo, y el controlador es un controlador digital.