Sistema de pila de combustible con purga del cátodo tras el apagado.

Una válvula de alivio de flujo inverso (213) que comprende:

un primer puerto de alimentación (314);

un segundo puerto de alimentación (320);

una válvula anti retorno (316) dentro de un conducto de fluido principal que se extiende entre los puertos dealimentación primero y segundo, la válvula anti retorno configurada para permitir que el fluido pase desde elprimero de los puertos de alimentación al segundo para bloquear el paso de fluido en la dirección inversa;un conducto de derivación de fluido (318) en comunicación fluida con el conducto de fluido principal;una válvula de sellado desviada (317, 321) contra un extremo del paso de derivación (318) entre elconducto de derivación y un puerto de purga (238),

en la que la válvula de sellado (317, 321) está configurada para mantener un sellado contra el conducto dederivación (318) cuando la presión de fluido en el primer puerto de alimentación (314) supera la presión defluido en el segundo puerto de alimentación (320) para evitar el flujo de fluido desde el conducto de fluidoprincipal hasta el puerto de purga (238) a través del conducto de fluido de derivación (318), y para permitirel flujo de fluido desde el segundo puerto de alimentación al puerto de purga a través del conducto de fluidode derivación cuando la presión del fluido en el segundo puerto de alimentación supera la presión del fluidoen el primer puerto de alimentación.

Sistema de pila de combustible con purga del cátodo tras el apagado.

Campo de la invención [0001] La invención se refiere a la operación de, y aparato relativo a, un sistema de pila de combustible, y en particular, aunque no exclusivamente, a una estrategia para el apagado de un sistema de pila de combustible.

Antecedentes [0002] El agua es esencial para el funcionamiento de un sistema de pila de combustible, por ejemplo el sistema descrito en la presente memoria comprende un apilamiento de células de combustible en base a una membrana de intercambio de protones (PEM) . La reacción de los protones (iones hidrógeno) realizada a través de la PEM de una trayectoria de flujo de ánodo, con oxígeno presente en la trayectoria de flujo de cátodo, produce agua. El exceso de agua tiene que ser retirado de la pila de células de combustible para evitar las inundaciones y provocar el consiguiente deterioro en el rendimiento. Una cantidad de agua, sin embargo, tiene que estar presente en al menos la trayectoria de flujo de cátodo para mantener la hidratación de la PEM, a fin de lograr un rendimiento óptimo de la pila de combustible. La gestión de esta agua, por inyección y extracción deliberada, también puede proporcionar un mecanismo útil para eliminar el exceso de calor de la pila de células de combustible.

Para optimizar el rendimiento, el agua puede emplearse deliberadamente en tales sistemas de células de combustible por inyección en la trayectoria de flujo de cátodo de la pila. Tales sistemas de inyección de agua de pilas de combustible tienen ventajas potenciales en la reducción del tamaño y complejidad, en comparación con otros tipos de sistemas de pilas de combustible que emplean diferentes canales de refrigeración. El agua puede ser inyectada directamente en la trayectoria de flujo de cátodo a través de colectores de distribución de agua, como por ejemplo se describe en GB2409763.

Para los sistemas de inyección de agua, es importante que cualquier agua retroalimentada en la trayectoria de flujo de cátodo sea de alta pureza, para evitar contaminación de la PEM y la consiguiente degradación del rendimiento de la pila. Este requisito de alta pureza, sin embargo, significa que no se pueden utilizar los aditivos para disminuir el punto de congelación del agua. Para aplicaciones de automoción en particular, los requisitos normales incluyen la puesta en marcha desde por debajo del punto de congelación, normalmente tan bajo como -20 ° C para reproducir entornos en los que puede ser utilizada la célula de combustible en la práctica. Puesto que el agua de alta pureza tiene un punto de congelación de 0 ° C (a presión de 1 bar) , cualquier agua que quede en el sistema de pila de combustible, con tiempo suficiente, se congela después del apagado de la celda de combustible.

El hielo en el sistema de pila de combustible, y en particular dentro de la trayectoria de flujo de cátodo, puede impedir que la pila funcione correctamente, o incluso no funcione. Si cualquier parte de la trayectoria de flujo de cátodo está bloqueada con hielo, el aire no puede pasar a través del cátodo y la pila de combustible puede no ser capaz de autocalentarse por encima del punto de congelación. Entonces serán necesarios otros métodos de calentamiento de la totalidad de la pila, lo que requiere el consumo de alimentación externa antes de que la celda de combustible pueda comenzar a suministrar energía eléctrica y calor por sí misma.

Se puede utilizar una operación de purga puede en el apagado de un apilamiento de células de combustible, como el que se describe en US 6479177. Este documento describe una pila de celdas de combustible que tiene conductos de agua de enfriamiento separados de la trayectoria de flujo de cátodo. Se utiliza una alimentación de nitrógeno seco presurizado para purgar el agua de la pila antes de permitir que la temperatura de la pila caiga por debajo de la congelación. Este método, sin embargo, requiere un suministro de nitrógeno a presión, que podría no estar disponible o incluso ser deseable en un entorno de automoción.

Es un objeto de la invención abordar uno o más de los problemas mencionados anteriormente.

Resumen [0008] La presente invención proporciona una válvula de alivio de flujo inverso de acuerdo con la reivindicación 1. El presente documento también describe un método de cierre de operación de un sistema de pila de combustible que comprende un apilamiento de células de combustible, comprendiendo el método las etapas secuenciales de: i) cesar un suministro de combustible a la pila de células de combustible; ii) cerrar una válvula de cierre en una línea de escape en comunicación fluida con un sistema de cátodo del sistema de pila de combustible, sistema de cátodo que comprende una trayectoria de flujo de fluido del cátodo que pasa a través de la pila de células de combustible; iii) presurizar el sistema de cátodo con un compresor de aire en comunicación fluida con un puerto de entrada de aire del cátodo en la pila de células de combustible, y iv) expulsa agua de la trayectoria de flujo de cátodo.

También se describe en la presente memoria un sistema de pila de combustible que comprende: un apilamiento de células de combustible;

un sistema de cátodo que tiene una trayectoria de flujo de fluido de cátodo que comprende una línea de entrada de aire de cátodo, un volumen de cátodo dentro de la pila de células de combustible y una línea de salida de cátodo conectada en serie y configurada para permitir el paso de aire a través de la pila de células de combustible;

un compresor de aire en comunicación fluida con la línea de entrada de aire de cátodo,

un recipiente de contención aislado térmicamente configurado para recibir agua por una línea de retorno de agua de la trayectoria de flujo de cátodo,

en el que el sistema de pila de combustible está configurado para expulsar agua de la trayectoria de flujo de cátodo al recipiente de contención por la línea de retorno de agua al cerrar la operación del sistema.

También se describe en la presente memoria una válvula de alivio de caudal inverso que comprende:

un primer puerto de alimentación;

un segundo puerto de alimentación;

una válvula anti retorno dentro de un conducto de fluido principal que se extiende entre los puertos de alimentación primero y segundo, la válvula anti retorno configurada para permitir que el fluido pase desde el primero de los puertos de alimentación al segundo para bloquear el paso de fluido en la dirección inversa;

un conducto de fluido de derivación en comunicación fluida con el conducto de fluido principal;

una válvula de sellado desviada contra un extremo del paso de derivación entre el conducto de bypass y un puerto de purga,

en el que la válvula de sellado está configurada para mantener un sellado contra el conducto de derivación cuando la presión del fluido en el puerto de alimentación primero supera la presión de fluido en el puerto de alimentación segundo para evitar el flujo de fluido desde el conducto de fluido principal hasta el puerto de purga a través del conducto de fluido de derivación, y para permitir el flujo de fluido desde el segundo puerto de alimentación al puerto de purga a través del conducto de fluido de derivación cuando la presión del fluido en el puerto de alimentación segundo supera la presión del fluido en el puerto de alimentación primero.

También se describe en la presente memoria un sistema de pila de combustible que comprende:

un apilamiento de células de combustible;

un sistema de cátodo que tiene una trayectoria de flujo de fluido de cátodo que comprende una línea de entrada de aire de cátodo, un volumen de cátodo dentro de la pila de células de combustible y una línea de salida de cátodo conectada en serie y configurada para permitir el paso de aire por la pila de células de combustible,

un intercambiador de calor conectado en serie con un separador de agua a la línea de salida del cátodo de la trayectoria de flujo de fluido del cátodo,

donde una línea de salida de expulsión de agua del separador de agua está conectada a un recipiente de contención de agua por una primera línea de retorno de agua.

Breve descripción de los dibujos [0012] La invención se describirá ahora a modo de ejemplo solamente, y con referencia a los dibujos adjuntos en los que:

La figura 1 ilustra un diagrama esquemático de la disposición de los diversos componentes dentro de un sistema de pilas de combustible en general;

la figura 2 ilustra un diagrama esquemático de un recipiente de contención de agua a modo de ejemplo;

la figura... [Seguir leyendo]

1. Una válvula de alivio de flujo inverso (213) que comprende:

un primer puerto de alimentación (314) ;

un segundo puerto de alimentación (320) ;

una válvula anti retorno (316) dentro de un conducto de fluido principal que se extiende entre los puertos de alimentación primero y segundo, la válvula anti retorno configurada para permitir que el fluido pase desde el primero de los puertos de alimentación al segundo para bloquear el paso de fluido en la dirección inversa;

un conducto de derivación de fluido (318) en comunicación fluida con el conducto de fluido principal;

una válvula de sellado desviada (317, 321) contra un extremo del paso de derivación (318) entre el conducto de derivación y un puerto de purga (238) ,

en la que la válvula de sellado (317, 321) está configurada para mantener un sellado contra el conducto de derivación (318) cuando la presión de fluido en el primer puerto de alimentación (314) supera la presión de fluido en el segundo puerto de alimentación (320) para evitar el flujo de fluido desde el conducto de fluido principal hasta el puerto de purga (238) a través del conducto de fluido de derivación (318) , y para permitir el flujo de fluido desde el segundo puerto de alimentación al puerto de purga a través del conducto de fluido de derivación cuando la presión del fluido en el segundo puerto de alimentación supera la presión del fluido en el primer puerto de alimentación.

2. La válvula de alivio de caudal inverso de la reivindicación 1 en la que la válvula de sellado (317, 321) está configurada para permitir el flujo de fluido desde el segundo puerto de alimentación (320) al puerto de purga (238) a través del conducto de fluido de derivación (318) cuando la presión del fluido en el segundo puerto de alimentación excede la presión del fluido en el primer puerto de alimentación en una magnitud predeterminada.

3. La válvula de alivio de caudal inverso de la reivindicación 2 en el que la cantidad predeterminada es no inferior a 300 mbar.

4. La válvula de alivio de caudal inverso de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde la válvula de sellado comprende un diafragma elástico (321) , una de cuyas caras está en comunicación fluida con el primer puerto de alimentación (314) , una segunda cara opuesta (317) del diafragma estando desviada contra el extremo del conducto de derivación (318) .

5. La válvula de alivio caudal inverso de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende un conducto de conexión de fluido (313) que se extiende entre el primer puerto de alimentación (314) y la válvula de sellado (321) .

6. Un sistema de pila de combustible que comprende la válvula de alivio de caudal inverso de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 en el que el segundo puerto de alimentación (320) de la válvula de alivio de caudal inverso está conectado a una línea de inyección de agua del cátodo (125) , el primer puerto de alimentación (314) está conectado a una bomba (230) y el puerto de purga (238) está en comunicación fluida con un volumen interior de un recipiente de contención de agua (140) .

7. El sistema de pila de combustible de la reivindicación 6, que comprende además:

una pila de celdas de combustible (110) ;

un sistema de cátodo que tiene una trayectoria de flujo de fluido de cátodo que comprende una línea de entrada de aire de cátodo (123) , un volumen de cátodo dentro de la pila de células de combustible y una línea de salida de cátodo (121) conectada en serie y configurada para permitir paso de aire a través de la pila de células de combustible (110) ;

un intercambiador de calor (130) conectado en serie con un separador de agua (131) a la línea de salida de cátodo (121) de la trayectoria de flujo de fluido del cátodo,

donde una línea de salida de expulsión de agua (128) del separador de agua (131) está conectada a un recipiente de contención de agua (140) por una primera línea de retorno de agua (128a) .

.8. El sistema de pila de combustible de la reivindicación 7 en el que una salida de expulsión de agua del intercambiador de calor (130) está conectada al recipiente de contención de agua (140) por una segunda línea de retorno de agua (128b) .

9. El sistema de pila de combustible de la reivindicación 8 comprende una bomba de agua (132a, 132b) en cada una de las líneas de retorno de agua primera y segunda.

10. El sistema de pila de combustible de la reivindicación 6 que comprende además:

un apilamiento de células de combustible (110) ;

un sistema de cátodo que tiene una trayectoria de flujo de fluido de cátodo que comprende una línea de entrada de aire del cátodo (123) , un volumen de cátodo dentro del apilamiento de células de combustible y una línea de salida del cátodo (121) conectada en serie y configurada para permitir paso de aire a través de la pila de células de combustible;

un compresor de aire (133) en comunicación fluida con la línea de entrada de aire del cátodo (123) ;

en el que dicho recipiente de contención de agua (140) está aislado térmicamente y configurado para recibir agua por una línea de retorno de agua (128) desde la trayectoria de flujo del cátodo,

en el que el sistema de pila de combustible está configurado para expulsar agua de la trayectoria de flujo de cátodo al recipiente de contención (140) por una línea de retorno de agua (128) al cerrar la operación del sistema.

11. El sistema de pila de combustible de la reivindicación 10 en el que el recipiente de contención (140) está conectado de forma fluida a la línea de inyección de agua del cátodo (125) , la línea de inyección de agua de cátodo comprendiendo además una entrada de inyección de agua del cátodo (127) en la pila de celdas de combustible (110) , la línea de inyección de agua (125) estando configurada para permitir paso de agua desde el volumen del

cátodo de la pila de células de combustible al recipiente de contención (140) a través de la válvula de alivio de flujo inverso (213) configurada para permitir paso de agua desde la trayectoria de flujo de cátodo al recipiente de contención cuando una diferencia de presión a través de la válvula se invierte en comparación con la que hay durante el funcionamiento del sistema de pila de combustible.