Procedimiento de funcionamiento de un suministro eléctrico híbrido pasivo por célula de combustible/batería.

Procedimiento para el funcionamiento de un suministro de potencia híbrido pasivo conectado a una cargavariable,

en condiciones en las que la carga variable es cero o próxima a cero, comprendiendo el suministro depotencia híbrido pasivo un sistema de célula de combustible PEM (1) y una batería de almacenamiento (18)conectados en paralelo a la carga variable (17), comprendiendo el sistema de célula de combustible una pluralidadde células de combustible individuales PEM conectadas en serie y órganos auxiliares que comprenden una bombade recirculación de hidrógeno controlable (213) y una bomba de recirculación de oxígeno controlable (223),comprendiendo el procedimiento:

- suministrar un flujo de hidrógeno sustancialmente puro a los ánodos de dichas células de combustible;

- suministrar un flujo de oxígeno sustancialmente puro a los cátodos de dichas células de combustible;

- controlar la corriente eléctrica suministrada por la batería de almacenamiento;

- controlar el voltaje de salida compartido por la pluralidad de células de combustible individuales conectadasen serie y por la batería;

- evaluar el estado de carga (SOC) de la batería basándose en dicha corriente eléctrica y dicho voltaje desalida;

- controlar la presión de hidrógeno en las células de combustible;

- controlar la presión de oxígeno en las células de combustible;

- limitar el flujo de hidrógeno y el flujo de oxígeno y accionando las bombas de recirculación de hidrógeno yde oxígeno, de manera tal que lleven y mantengan las presiones de hidrógeno y de oxígeno por debajo de0,7 barabsoluto, manteniendo simultáneamente dicha presión de hidrógeno entre 70% y 130% de dichapresión de oxígeno, de manera tal que asegure que el voltaje de salida se mantiene a un nivel quecorresponde a menos de 0,90 voltios/célula y no supera el límite de voltaje máximo de la batería.

Procedimiento de funcionamiento de un suministro eléctrico híbrido pasivo por célula de combustible/batería

SECTOR DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un procedimiento para limitar el voltaje de salida de un suministro eléctrico híbrido pasivo de célula de combustible/batería que funcione en condiciones de carga cero o próximas a la misma, de manera no supere el límite superior de voltaje de la batería sin que sea necesario parar la célula de combustible o desconectarla de la batería. La invención se refiere más particularmente a un procedimiento en el que las células de combustible del suministro eléctrico son del tipo diseñado para utilizar hidrógeno como combustible y oxígeno puro como oxidante.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Las células de combustible electroquímicas del tipo anteriormente mencionado, convierten reactivos químicos, a saber, una corriente de hidrógeno y una corriente de oxígeno, en potencia eléctrica y agua. Las células de combustible con membrana de intercambio de protones (PEMFC) comprenden de manera general una membrana sólida de un electrolito polímero dispuesta entre dos capas porosas de electrodos conductores eléctricamente, a efectos de formar un conjunto de electrodo de membrana (MEA) . Para inducir la reacción electroquímica deseada, el electrodo del ánodo y el electrodo del cátodo comprenden cada uno de ellos uno o varios catalizadores. Estos catalizadores están dispuestos de manera típica en el interfaz membrana/capa del electrodo.

En el ánodo, el hidrógeno se desplaza a través de la capa del electrodo poroso y es oxidado por el catalizador

produciendo protones y electrones. Los protones emigran a través del electrolito de polímero sólido hacia el cátodo. Por su parte, el oxígeno se desplaza a través del cátodo poroso y reacciona con los protones que atraviesan la membrana en el electrocatalizador del cátodo. Los electrones se desplazan desde el ánodo al cátodo a través de un circuito externo, produciendo corriente eléctrica.

La figura 1 muestra, según una con piezas desmontadas, una pila de células de combustible con membrana de intercambio de protones 10 de la técnica anterior. La pila 10 comprende un par de conjunto de placas extremas 15, 20 y una serie de conjuntos de células de combustible 25. En este ejemplo específico, unas barras de sujeción eléctricamente aislantes 30 se extienden entre los conjuntos de placas extremas 15, 20 para retener y fijar un conjunto de placas 10 en su situación de montaje con tuercas de fijación 32. Los resortes 34 roscados sobre las barras de fijación 30 interpuestos entre las tuercas de fijación 32 y la placa extrema 20, aplican una fuerza de compresión elástica a la pila 30 en dirección longitudinal. Se suministran corrientes de reactivo y refrigerante fluido a colectores internos y pasos del apilamiento 10, y se extraen de los mismos, mediante aberturas de entrada y salida (no mostradas) en la placa extrema 15.

Cada uno de los conjuntos de células de combustible 25 comprende una placa de campo de flujo de ánodo 35, una placa de campo de flujo de cátodo 40 y un MEA 45 interpuesto entre ambas placas 35 y 40. Las placas de campo de flujo de ánodo y cátodo 35 y 40 están realizadas en un material eléctricamente conductor y actúan como conductores de corriente. Dado que la placa de campo de flujo de ánodo de una célula está dispuesta con la parte posterior adosada a la parte posterior de la placa de campo de flujo de cátodo de la célula adyacente, puede fluir

corriente eléctrica de una célula a la otra y, por lo tanto, a través de todo el apilamiento 10. Se conocen otros apilamientos de células de combustible anteriores, en los que las células individuales están separadas por una sola placa de campo de flujo bipolar en vez de dos placas de campo de flujo de ánodo y cátodo separadas.

Las placas de flujo de campo 35 y 40 proporcionan además una barrera al fluido entre conjuntos de células de combustible adyacentes a efectos de mantener el fluido reactivo suministrado al ánodo de una célula de manera que se evita la contaminación del fluido reactivo suministrado al cátodo de otra célula. En el interfaz entre el MEA 45 y las placas 35 y 40, los campos de flujo de fluido 50 dirigen a los fluidos reactivos a los electrodos. El campo de flujo de fluido 50 comprende de manera típica una serie de canales de flujo de fluido formados en las superficies principales de las placas 35 y 40 dirigidas al MEA 45. Un objetivo del campo de fluido de flujo 50 es el de distribuir el

fluido reactivo a toda la superficie de los electrodos respetivos, es decir, el ánodo en el lado del hidrógeno y el cátodo en el lado del oxígeno.

Un problema conocido con las PEMFC es la degradación progresiva de su rendimiento a lo largo del tiempo. En la actualidad, el funcionamiento a largo plazo de células de combustible de polímero sólido ha quedado demostrado pero solamente bajo ciertas condiciones relativamente ideales. Por el contrario, cuando la célula de combustible tiene que funcionar en un amplio rango de condiciones, tal como es el caso para aplicaciones de automóvil particularmente, las condiciones cambiantes de manera continua (frecuentemente modeladas como ciclos de carga y ciclos arranque-parada) se ha demostrado que reducen la duración del periodo de vida de manera drástica.

En la literatura técnica se han identificado diferentes tipos de condiciones no ideales. Una primera de estas condiciones es la que se designa como “voltaje elevado de la célula”; es conocido que la disposición de una célula de combustible a condiciones de corriente baja o nula, conduce a tasas de degradación más elevadas en comparación con el funcionamiento con una corriente promedio constante. Una segunda condición no ideal es el “voltaje bajo de la célula”; es sabido además que, al extraer una corriente máxima de la célula de combustible, se produce una tasa de degradación incrementada. Se deduce de lo anterior que, a efectos de preservar el periodo de vida de una célula de combustible, es preferible evitar tanto “voltaje alto de la célula” como “voltaje bajo de la célula” en las condiciones operativas. En el caso de los tipos habitualmente conocidos de PMEFC se debe establecer un límite de seguridad superior razonable para asegurar que no tengan lugar condiciones de voltaje de célula alto en un valor no superior a 0, 90 voltios, preferentemente no superior a 0, 85 voltios, y un límite de seguridad bajo para asegurar contra voltaje de célula bajo en un valor no inferior a 0, 65 voltios, preferentemente no inferior a 0, 70 voltios. En otras palabras, la célula de combustible debe funcionar solamente en el rango de voltaje limitado entre 0, 65 y 0, 90 voltios, preferentemente entre 0, 70 y 0, 85 voltios.

Las aplicaciones de automoción se caracterizan por cambios especialmente abruptos de la potencia de carga. Por esta razón, los suministros de potencia diseñados para aplicaciones de automóvil comprenden en general una batería de almacenamiento de energía, tal como una batería electroquímica o un supercondensador, asociados con el sistema de célula de combustible. En este tipo de suministro de potencia (que se designará a continuación suministro de potencia híbrido de célula de combustible/ batería) la batería puede funcionar como tampón: suministrando potencia eléctrica cuando se presenta un pico en la carga y al revés, almacenando excesos de potencia eléctrica en caso de condiciones de carga baja o nula.

Las figuras 2A y 2b son diagramas de bloques que muestran respectivamente un suministro de potencia híbrido activo y pasivo respectivamente. En un suministro de potencia híbrido activo de célula de combustible/batería, el sistema de la célula de combustible está conectado al circuito de carga a través de un convertidor CC/CC y la batería está conectada al circuito de carga en paralelo con el convertidor CC/CC, tal como se ha mostrado en la figura 2A. Controlando la ganancia del convertidor CC/CC es posible ajustar de manera activa la distribución de potencia dentro del suministro de potencia híbrido. Un suministro de potencia híbrido pasivo de célula de combustible/batería es más simple. El sistema de célula de combustible y la batería están conectados eléctricamente de manera directa en paralelo, tal como se ha mostrado en la figura 2B. El inconveniente es que muchas variables operativas del suministro de potencia no están controladas. En particular, la distribución de corriente entre la célula de combustible y la batería viene impuesta por la impedancia interna de cada dispositivo. Además, dado que la batería y el sistema de célula de combustible... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para el funcionamiento de un suministro de potencia híbrido pasivo conectado a una carga variable, en condiciones en las que la carga variable es cero o próxima a cero, comprendiendo el suministro de potencia híbrido pasivo un sistema de célula de combustible PEM (1) y una batería de almacenamiento (18) conectados en paralelo a la carga variable (17) , comprendiendo el sistema de célula de combustible una pluralidad de células de combustible individuales PEM conectadas en serie y órganos auxiliares que comprenden una bomba de recirculación de hidrógeno controlable (213) y una bomba de recirculación de oxígeno controlable (223) , comprendiendo el procedimiento:

- suministrar un flujo de hidrógeno sustancialmente puro a los ánodos de dichas células de combustible;

- suministrar un flujo de oxígeno sustancialmente puro a los cátodos de dichas células de combustible;

- controlar la corriente eléctrica suministrada por la batería de almacenamiento;

-controlar el voltaje de salida compartido por la pluralidad de células de combustible individuales conectadas 15 en serie y por la batería;

- evaluar el estado de carga (SOC) de la batería basándose en dicha corriente eléctrica y dicho voltaje de salida;

- controlar la presión de hidrógeno en las células de combustible;

- controlar la presión de oxígeno en las células de combustible;

- limitar el flujo de hidrógeno y el flujo de oxígeno y accionando las bombas de recirculación de hidrógeno y de oxígeno, de manera tal que lleven y mantengan las presiones de hidrógeno y de oxígeno por debajo de 0, 7 barabsoluto, manteniendo simultáneamente dicha presión de hidrógeno entre 70% y 130% de dicha presión de oxígeno, de manera tal que asegure que el voltaje de salida se mantiene a un nivel que corresponde a menos de 0, 90 voltios/célula y no supera el límite de voltaje máximo de la batería.

2. Procedimiento, según la reivindicación 1, en el que dicho procedimiento comprende el ajuste de dicha corriente de hidrógeno y dicha corriente de oxígeno, de manera tal que dicho voltaje de salida permanezca a un nivel que corresponde a un valor entre 0, 70 y 0, 85 voltios/célula.

3. Procedimiento, según la reivindicación 1 ó 2, en el que la batería de almacenamiento tiene un voltaje en circuito abierto que corresponde a un valor entre 0, 75 y 0, 85 voltios/célula de combustible cuando el estado de carga de la batería es 50%.