Sistema de alimentación de energía eléctrica, con un sistema de células de combustible y un reformador, y un convertidor de continua a continua.

Sistema de alimentación de energía eléctrica, con

- un sistema de células de combustible y un reformador,

con un reformador (2) para la conversión de hidrocarburos en un gas hidrogenado y con, al menos, una célula de combustible (4) para generar energía eléctrica a partir del gas hidrogenado, en forma de una tensión y una corriente; y con

- un convertidor de continua a continua (5) conectado con la célula de combustible (4), para la provisión de un tensión de salida predeterminada, debido a la tensión generada por la célula de combustible (4);

en donde se predetermina un valor de tensión de trabajo como un valor objetivo para la tensión a generar mediante la célula de combustible en el funcionamiento normal;

caracterizado porque,

- el convertidor de continua a continua (5) se conforma de manera que la tensión límite inferior del lado de la entrada del convertidor de continua a continua, corresponda esencialmente al valor de tensión de trabajo de la célula de combustible (4); y porque

- mediante el convertidor de continua a continua (5) se puede manipular la energía eléctrica entregada por la célula de combustible (4), de manera que ante una variación de la energía eléctrica generada por la célula de combustible (4), se pueda mantener la tensión proporcionada por la célula de combustible, esencialmente en el nivel del valor de la tensión de trabajo, mientras que la corriente suministrada por la célula de combustible al convertidor de continua a continua (5), se modifica de una manera particularmente proporcional, análoga a la variación de energía.

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E06008315.

Solicitante: TRUMA GERATETECHNIK GMBH & CO. KG.

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: WERNHER-VON-BRAUN-STRASSE 12 85640 PUTZBRUNN ALEMANIA.

Inventor/es: FRANK, REINHARD, SCHIEGL,ANDREAS.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • H01M16/00 SECCION H — ELECTRICIDAD.H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS.H01M PROCEDIMIENTOS O MEDIOS, p. ej., BATERIAS, PARA LA CONVERSION DIRECTA DE LA ENERGIA QUIMICA EN ENERGIA ELECTRICA. › Combinaciones estructurales de tipos diferentes de generadores electroquímicos.
  • H01M8/04 H01M […] › H01M 8/00 Pilas de combustible; Su fabricación. › Disposiciones o procesos auxiliares, p. ej. para controlar la presión, para la circulación de fluidos.

PDF original: ES-2392726_T3.pdf

 


Fragmento de la descripción:

Sistema de alimentación de energía eléctrica, con un sistema de células de combustible y un reformador, y un convertidor de continua a continua

La presente invención hace referencia a un sistema de alimentación de energía eléctrica, de acuerdo con el concepto general de la reivindicación 1, con un sistema compuesto por células de combustible y un reformador.

Se conocen sistemas de alimentación de energía eléctrica, que se utilizan en vehículos a motor, particularmente vehículos a motor para el tiempo libre, como vehículos de caravana, barcos y yates. Esta clase de sistemas de alimentación de energía eléctrica, también se denominan unidades de potencia auxiliar (APU) . En esta clase de sistemas APU se utilizan con más frecuencia los sistemas compuestos por células de combustible y un reformador, que se encuentran interconectados a través de un convertidor de continua a continua (convertidor CC/CC) con una batería auxiliar o bien, de a bordo del vehículo a motor. Un sistema compuesto por células de combustible y un reformador, presenta convencionalmente un reformador para la conversión de hidrocarburos en un gas hidrogenado y, al menos, una célula de combustible para generar energía eléctrica a partir del gas hidrogenado. Un sistema de esta clase se conoce, por ejemplo, de la patente DE 199 32 781.

Además, el sistema compuesto por células de combustible y un reformador, se utiliza por una parte, para garantizar la alimentación de la red de a bordo del vehículo a motor y, por otra parte, para cargar la batería que, por su parte, se puede utilizar también para la alimentación de la red de a bordo.

El término “célula de combustible“ se utiliza a continuación para simplificar, también para una unidad compuesta por una pluralidad de células de combustible individuales apiladas, es decir, por ejemplo, una pila de células de combustible.

El convertidor de continua a continua se utiliza para adaptar la energía eléctrica suministrada por la célula de combustible, de una manera apropiada para el dispositivo consumidor. Además, el convertidor de continua a continua se puede conformar como un convertidor elevador o reductor. Además, preferentemente se utiliza un convertidor elevador, dado que de esta manera se puede mantener reducido el número de células de combustible individuales en una pila de células de combustible.

El nivel de tensión de entrada del convertidor elevador, es decir, la tensión de trabajo suministrada por la célula de combustible, se obtiene a partir del número de células individuales de la pila de células de combustible, multiplicado por la tensión de trabajo de las células individuales. Dicha tensión de trabajo se encuentra convencionalmente entre 0, 5 y 0, 65 V, de manera tal que en una pila de células de combustible de, por ejemplo, once células, se puede obtener una tensión de trabajo de, por ejemplo, 6 V. El convertidor elevador puede elevar dicha tensión de entrada a una tensión de salida o bien, de trabajo de, por ejemplo, 12 V. Naturalmente, el sistema también se puede diseñar también para otras tensiones de la red de a bordo (por ejemplo, 24 V, 42 V) .

Ante un deterioro en el rendimiento de la célula de combustible, por ejemplo, mediante un suministro reducido de gas desde el reformador, o ante la intoxicación del catalizador en la célula de combustible mediante CO, se reduce la potencia eléctrica generada por la célula de combustible. En el caso de los sistemas de alimentación de energía eléctrica conocidos del estado del arte, el convertidor de continua a continua siempre intenta absorber una corriente determinada de la célula de combustible. Sin embargo, dado que el deterioro del rendimiento de la célula de combustible, genera una reducción en la potencia de salida completa a disposición, se reduce forzosamente la tensión requerida por la célula de combustible. Sin embargo, cuando la tensión presente en la célula de combustible resulta muy baja, existe el riesgo de que se invierta la polaridad de las células individuales en la pila. Además, el coeficiente de rendimiento eléctrico de la célula de combustible ya no se puede mantener, hecho que no bajo ninguna circunstancia permite un funcionamiento económico de la célula de combustible.

A partir de la patente US 6, 590, 370 B1 se conoce un sistema de alimentación de energía eléctrica, con una célula de combustible y un convertidor de continua a continua, en donde la tensión de salida de la célula de combustible se mantiene constante mediante el hecho de que se regula con la ayuda de una la regulación de potencia del convertidor de continua a continua de la corriente absorbida. El convertidor de continua a continua, absorbe en correspondencia la cantidad de corriente requerida para poder mantener constante la tensión de salida de la célula de combustible.

Un sistema de alimentación de tensión similar se conoce de la patente DE 44 31 747 A1.

Cuando el sistema compuesto por células de combustible y un reformador, se utiliza para cargar la batería, por una parte, se debe definir un criterio de puesta en marcha para el sistema compuesto por células de combustible y un reformador, con el fin de evitar una descarga total de la batería. Por otra parte, para el proceso de carga se debe predeterminar un límite superior, como por ejemplo, el alcance de la tensión de gaseado de la batería (por ejemplo, 14, 2 V ó 14, 4 V) , con el fin de evitar de manera considerable daños en la batería o electrólisis en la batería.

En la patente DE 199 32 781 se describe una conexión en paralelo entre un célula de combustible y una batería para la alimentación de la red de a bordo de vehículos a motor. Además de la puesta en marcha y la desconexión conocida del proceso de carga, mediante uno límite de tensión inferior y un límite de tensión superior de la batería, se puede realizar una activación de la célula de combustible cuando se excede una carga de red de a bordo preajustable.

En dicho sistema existe la desventaja de que un exceso por un tiempo reducido de la carga de la red de a bordo preajustable, por ejemplo, mediante la utilización de un secador de cabello en un vehículo de caravana, la carga o bien, la corriente de descarga presente en la batería, incrementa el valor límite predeterminable, mientras que la tensión de la batería pasa a un nivel inferior en relación con un valor determinado predeterminable. En este caso, se inicia de inmediato el sistema APU, y se activa el sistema compuesto por células de combustible y un reformador. De esta manera, resultan suficientes los picos de carga por un periodo reducido de pocos segundos, hasta minutos, para poner en marcha el sistema compuesto por células de combustible y un reformador. Sin embargo, generalmente esto no resulta necesario, dado que los picos de carga de periodos reducidos conducen a una reducción considerable del nivel de tensión de batería en un tiempo reducido, sin embargo, la carga de la batería sólo se reduce de manera insignificante. La tensión de la batería se incrementa nuevamente después de la desconexión de la carga. De esta manera, se generan puestas en marcha frecuentes y no necesarias del sistema compuesto por células de combustible y un reformador, que reducen el coeficiente de rendimiento total y que no resulta ventajoso para la vida útil de dicho sistema.

El objeto de la presente invención consiste en proporcionar un sistema de alimentación de energía eléctrica, en el que se evitan las desventajas del estado del arte.

Dicho objeto se resuelve, conforme a la presente invención, mediante un sistema de alimentación de energía eléctrica de acuerdo con la reivindicación 1. Además, se proporcionan métodos operacionales para el sistema de alimentación de energía eléctrica.

Un sistema de alimentación de energía eléctrica conforme a la presente invención, presenta un convertidor de continua a continua conectado con la célula de combustible de un sistema compuesto por células de combustible y un reformador, para la provisión de un tensión de salida predeterminada, debido a la tensión generada por la célula de combustible. Además, se proporciona un valor de tensión de trabajo como valor objetivo para la tensión a generar por la célula de combustible. Conforme a la presente invención, el convertidor de continua a continua se conforma de manera que la tensión límite inferior del lado de la entrada del convertidor de continua a continua, corresponda esencialmente al valor de tensión de trabajo.... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Sistema de alimentación de energía eléctrica, con

- un sistema de células de combustible y un reformador, con un reformador (2) para la conversión de hidrocarburos en un gas hidrogenado y con, al menos, una célula de combustible (4) para generar energía eléctrica a partir del gas hidrogenado, en forma de una tensión y una corriente; y con

- un convertidor de continua a continua (5) conectado con la célula de combustible (4) , para la provisión de un tensión de salida predeterminada, debido a la tensión generada por la célula de combustible (4) ;

en donde se predetermina un valor de tensión de trabajo como un valor objetivo para la tensión a generar mediante la célula de combustible en el funcionamiento normal;

caracterizado porque,

- el convertidor de continua a continua (5) se conforma de manera que la tensión límite inferior del lado de la entrada del convertidor de continua a continua, corresponda esencialmente al valor de tensión de trabajo de la célula de combustible (4) ; y porque

- mediante el convertidor de continua a continua (5) se puede manipular la energía eléctrica entregada por la célula de combustible (4) , de manera que ante una variación de la energía eléctrica generada por la célula de combustible (4) , se pueda mantener la tensión proporcionada por la célula de combustible, esencialmente en el nivel del valor de la tensión de trabajo, mientras que la corriente suministrada por la célula de combustible al convertidor de continua a continua (5) , se modifica de una manera particularmente proporcional, análoga a la variación de energía,

2. Sistema de alimentación de energía eléctrica de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la tensión límite inferior se encuentra en un rango alrededor del valor de la tensión de trabajo, con una divergencia admisible de hasta menos 10 % del valor de la tensión de trabajo.

3. Sistema de alimentación de energía eléctrica de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque el convertidor de continua a continua (5) se conecta con la célula de combustible (4) y con una batería (6) , para cargar la batería (6) con la energía eléctrica de la célula de combustible (4) .

4. Sistema de alimentación de energía eléctrica de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado porque se proporciona un dispositivo de control (8) para la puesta en marcha y/o la desconexión del sistema compuesto por células de combustible y un reformador (2, 4) , en relación con un estado de funcionamiento de la batería (6) , de manera tal que

- el dispositivo de control (8) genera una puesta en marcha del sistema compuesto por células de combustible y un reformador (2, 4) , cuando el estado de funcionamiento ha alcanzado, al menos, uno de los siguientes criterios de puesta en marcha:

+ Exceso de un valor límite de amperios-horas, para una corriente de descarga integrada en el tiempo, de la batería (6) ;

+ Paso a un nivel inferior de un valor límite inferior de la tensión, para una tensión de batería, al menos, durante un periodo de tiempo predeterminado de baja tensión;

+ Paso a un nivel inferior de un valor límite de carga de batería, mediante un estado de carga de la batería (6) , en donde el estado de carga se puede determinar mediante la corriente de descarga, la tensión de batería que existe simultáneamente, y las curvas características de la batería previamente conocidas para la batería (6) ;

y/o de manera que

- el dispositivo de control (8) genera una desconexión del sistema compuesto por células de combustible y un reformador (2, 4) , cuando el estado de funcionamiento ha alcanzado, al menos, uno de los siguientes criterios de desconexión:

+ Alcance de un valor límite superior de la tensión, mediante la tensión de batería y, a continuación, después de transcurrido un periodo de seguimiento (y) predeterminado;

+ Paso a un nivel inferior de un valor límite inferior de la corriente de salida, mediante una corriente de salida de la célula de combustible (4) , durante un periodo de tiempo predeterminado de la corriente de salida inferior;

+ Paso a un nivel inferior de un valor límite del coeficiente de utilización, mediante un coeficiente de utilización de gas de la célula de combustible (4) ;

+ Paso a un nivel inferior de un valor límite del coeficiente de rendimiento, mediante un coeficiente de rendimiento eléctrico del sistema compuesto por células de combustible y un reformador (2, 4) .

5. Sistema de alimentación de energía eléctrica de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque durante el transcurso del periodo de seguimiento (y) predeterminado, mediante el convertidor de continua a continua (5) se puede aplicar una tensión constante en la batería (6) , ante una reducción continua y simultánea de la corriente de carga.

6. Sistema de alimentación de energía eléctrica de acuerdo con la reivindicación 4 ó 5, caracterizado porque el valor límite superior de la tensión, corresponde a un valor de tensión para una tensión de gaseado de la batería (6) .

7. Sistema de alimentación de energía eléctrica de acuerdo con una de las reivindicaciones 4 a 6, caracterizado porque los parámetros, particularmente, el valor límite de amperios-horas, el valor límite inferior de la tensión, el periodo de tiempo de baja tensión, el valor límite de carga de batería, las curvas características de la batería, el valor límite superior de la tensión, el periodo de seguimiento, el valor límite inferior de la corriente de salida, el periodo de tiempo de la corriente de salida inferior, el valor límite del coeficiente de utilización y/o el valor límite del coeficiente de rendimiento, se encuentran almacenados en el dispositivo de control.

8. Sistema de alimentación de energía eléctrica de acuerdo con una de las reivindicaciones 4 a 7, caracterizado porque los parámetros se encuentran almacenados de manera que se asignan respectivamente a diferentes tipos de baterías.

9. Sistema de alimentación de energía eléctrica de acuerdo con una de las reivindicaciones 4 a 8, caracterizado porque el coeficiente de utilización de gas de la célula de combustible (4) se determina mediante la proporción de la corriente eléctrica generada por la célula de combustible (4) , en relación con la cantidad de hidrógeno que se suministra a la célula de combustible (4) .

10. Sistema de alimentación de energía eléctrica de acuerdo con una de las reivindicaciones 4 a 9, caracterizado porque el valor límite del coeficiente de utilización se encuentra dentro de un rango de 30 a 90 %, particularmente dentro de un rango de 40 a 60 %.

11. Sistema de alimentación de energía eléctrica de acuerdo con una de las reivindicaciones 4 a 10, caracterizado porque el coeficiente de rendimiento eléctrico se determina mediante la proporción de la corriente eléctrica generada por la célula de combustible (4) , en relación con el contenido energético de los hidrocarburos suministrados al reformador (2) .

12. Sistema de alimentación de energía eléctrica de acuerdo con una de las reivindicaciones 4 a 11, caracterizado porque el valor límite del coeficiente de rendimiento se encuentra dentro de un rango de entre 0 y 30 %, particularmente entre 5 y 15 %.

13. Sistema de alimentación de energía eléctrica de acuerdo con una de las reivindicaciones 4 a 12, caracterizado porque el dispositivo de control (8) se encuentra acoplado con uno o una pluralidad de dispositivos de medición, para la medición de, al menos, uno de los parámetros de medición que consisten en la corriente de descarga, la tensión de batería, la corriente eléctrica generada por la célula de combustible (4) , el gas hidrogenado utilizado por la célula de combustible (4) , y/o la cantidad de hidrocarburos suministrados al reformador (2) .

14. Sistema de alimentación de energía eléctrica de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque la batería (6) es una batería de a bordo de un vehículo a motor.

15. Sistema de alimentación de energía eléctrica de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque la energía eléctrica necesaria para poner en marcha el sistema compuesto por células de combustible y un reformador (2, 4) , se puede tomar de la batería (6) .

16. Método operacional para poner en marcha un sistema de alimentación de energía eléctrica, de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 15, con las siguientes etapas

- puesta en marcha del sistema compuesto por células de combustible y un reformador (2, 4) ;

- mantenimiento de la tensión de salida de la célula de combustible (4) en el nivel del valor de tensión de trabajo;

- incremento de la corriente de salida de la célula de combustible (4) en relación con la energía que puede ser suministrada por la célula de combustible (4) .

17. Método operacional para desconectar un sistema de alimentación de energía eléctrica, de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 15, con las siguientes etapas

- detención del funcionamiento del reformador (2) ;

- mantenimiento de la tensión de salida de la célula de combustible (4) en el nivel del valor de tensión de trabajo;

- descenso de la corriente de salida de la célula de combustible (4) en relación con la energía que puede ser suministrada por la célula de combustible (4) .

18. Método operacional de acuerdo con la reivindicación 16 ó 17, que presenta las siguientes etapas

- puesta en marcha del sistema compuesto por células de combustible y un reformador (2, 4) , cuando el estado de funcionamiento de la batería (6) ha alcanzado, al menos, uno de los siguientes criterios de puesta en marcha:

+ Exceso de un valor límite de amperios-horas, para una corriente de descarga integrada en el tiempo, de la batería 5 (6) ;

+ Paso a un nivel inferior del valor límite inferior de la tensión, para la tensión de batería, al menos, durante un periodo de tiempo predeterminado de baja tensión;

+ Paso a un nivel inferior de un valor límite de carga de batería, mediante un estado de carga de la batería (6) , en

donde el estado de carga se puede determinar mediante la corriente de descarga, la tensión de batería que existe 10 simultáneamente, y las curvas características de la batería previamente conocidas para la batería (6) ;

y/o

- desconexión del sistema compuesto por células de combustible y un reformador, cuando el estado de funcionamiento/estado de carga ha alcanzado, al menos, uno de los siguientes criterios de desconexión:

+ Alcance de un valor límite superior de la tensión, mediante la tensión de batería y, a continuación, después de 15 transcurrido un periodo de seguimiento (y) predeterminado;

+ Paso a un nivel inferior de un valor límite inferior de la corriente de salida, mediante una corriente de salida de la célula de combustible (4) , durante un periodo de tiempo predeterminado de la corriente de salida inferior;

+ Paso a un nivel inferior de un valor límite del coeficiente de utilización, mediante un coeficiente de utilización de gas de la célula de combustible (4) ;

+ Paso a un nivel inferior de un valor límite del coeficiente de rendimiento, mediante un coeficiente de rendimiento eléctrico del sistema compuesto por células de combustible y un reformador (2, 4) .


 

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