Sistema de pila de combustible.

Un sistema de pila de combustible (100) que comprende un apilamiento de pila de combustible (110) y una unidadeléctrica de control (230) configurada para ajustar parámetros de operación del apilamiento de pila de combustible (110)para optimizar la operación del sistema de pila de combustible (100) en una desviación estándar de salidas de tensiónde una pluralidad de pilas en el apilamiento de pila de combustible (110),

caracterizado porque la unidad eléctrica decontrol (230) está configurada para optimizar la operación del sistema de pila de combustible (100) ajustando losparámetros de operación del apilamiento de pila de combustible para reducir la función

en la que σv es una desviación estándar de las salidas de tensión de la pluralidad de pilas, Pp es una carga parásita y α,ß son constantes.

Sistema de pila de combustible.

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 comenzar la operación de un sistema de pila de combustible.

Antecedentes [0002] El agua es esencial para la operación de un sistema de pila de combustible, por ejemplo en la forma del sistema aquí descrito que comprende un apilamiento de pilas de combustible en base a una membrana de intercambio de protones (PEM) . La reacción de los protones (iones hidrógeno) conducidos a través de la PEM desde una vía de flujo de ánodo, con oxígeno presente en una vía de flujo de cátodo, produce agua. El exceso de agua necesita ser extraído del apilamiento de pilas de combustible para evitar inundación y causar un consecuente deterioro del rendimiento. Un cantidad de agua, sin embargo, necesita estar presente en al menos la vía de flujo de cátodo para mantener la hidratación de la PEM, con el fin de alcanzar el rendimiento óptimo de la pila de combustible. Gestionar este agua, por inyección y extracción deliberadas, puede también proporcionar un mecanismo útil para eliminar el exceso de calor del apilamiento de pilas de combustible.

Para optimizar el rendimiento, el agua puede emplearse deliberadamente en tales sistemas de pilas de combustible mediante inyección en la vía de flujo de cátodo del apilamiento. Tales sistemas de pila de combustible de inyección de agua tienen ventajas potenciales de tamaño y complejidad reducidos, comparados con otros tipos de sistemas de pila de combustible que emplean canales de enfriamiento separados. El agua puede ser inyectada directamente en la vía de flujo de cátodo a través de colectores distribuidores de agua, como por ejemplo se describe en GB2409763.

Para sistemas de inyección de agua, es importante que cualquier agua retroalimentada a la vía de flujo de cátodo sea de alta pureza, con el fin de evitar contaminación de la PEM y consecuente degradación del rendimiento del apilamiento. Este requisito de alta pureza, sin embargo, significa que no pueden utilizarse aditivos para reducir el punto de congelación del agua. Para aplicaciones automotrices en particular, los requisitos normales incluyen arrancar a partir de debajo de la congelación, típicamente tan bajo como -20ºC para simular entornos en que la pila de combustible puede usarse en la práctica. Puesto que el agua de alta pureza tiene un punto de congelación de 0°C (a 1 bar de presión) , cualquier agua que quede en el sistema de pila de combustible se congelará, con tiempo suficiente, tras apagar la pila de combustible.

El hielo en el sistema de pila de combustible, y en particular dentro de la vía de flujo de cátodo, puede impedir que el apilamiento funcione apropiadamente, o incluso hacer que no funcione. Si cualquier parte de la vía de flujo de cátodo está bloqueada con hielo, no puede hacerse pasar aire a través del cátodo y la pila de combustible puede no ser capaz de autocalentarse por encima del punto de congelación. Otros métodos para calentar todo el apilamiento serán entonces necesarios, que requerirán consumo de energía externa antes de que la pila de combustible pueda empezar a suministrar energía eléctrica y calentarse por si misma.

Es un objeto de la invención tratar uno o más de los problemas antes mencionados.

GB 2409763 revela una pila electroquímica de combustible en la que se suministra agua líquida a canales de flujo de fluído en el cátodo para mantener una humedad relativa del 100%, y un método de calibración para determinar el suministro óptimo de agua líquida bajo condiciones variables.

US 2005/0112430 revela una distribución en una planta de energía de pilas de combustible para dispensar agua en una corriente de aire que fluye por un canal de gas en un dispositivo de recuperación de energía, siendo inyectada el agua en una cantidad controlada en respuesta a parámetros detectados de la planta de energía incluyendo la corriente de aire de proceso, y proporcionar una capacidad de descongelación al dispositivo de recuperación de enegía.

JP 2006100095 revela una pila de combustible provista de un apilamiento laminado de pilas de combustible en que, durante el arranque por debajo del punto de congelación, se calcula la desviación estándar de tensións de pila a un valor prescrito de intensidad y un límite superior de intensidad se hace fluir hasta que un valor de la desviación estándar esté por debajo de un valor umbral.

US 2004/0170038 revela un sistema de pila de combustible en el que se detecta un tensión de bateria y se reduce un valor de instrucción de intensidad a la caída de la tensión de la batería, el valor de intrucción de intensidad restringido con el fin de que se comience a a reducir la intensidad de la batería a un primer valor umbral y se haga cero a un segundo valor umbral.

Resumen [0011] Según la invención se proporciona un sistema de pila de combustible y un método para optimizar la operación de un sistema de pila de combustible, como se define por las Reivindicaciones anexas.

Breve Descripcion de los Dibujos [0012] La invención será ahora descrita a modo de ejemplo solamente, con referencia a los dibujos adjuntos en los cuales:

la Figura 1 ilustra un diagrama esquemático de la disposición de diversos componentes dentro de un sistema total de pila de combustible;

la Figura 2 ilustra un diagrama esquemático de un sistema de control eléctrico ejemplo para un sistema de pila de combustible;

la Figura 3 ilustra una vista lateral esquemática de un apilamieno de pila de combustible de ejemplo;

las Figuras 4a y 4b ilustran vistas en perspectiva de una placa calefactora de ejemplo para un apilamiento de pila de combustible;

la Figura 5 ilustra una vista parcial en sección esquemática de un apilamiento de pilas de combustible de ejemplo;

la Figura 6 illustra un diagrama de flujo esquemático de un procedimiento de arranque de ejemplo; y

la Figura 7 ilustra una serie de curvas mostrando varios parámetros medidos de un sistema de pila de combustible.

Descripción detallada [0013] La Figura 1 muestra un diagrama esquemático de un sistema ejemplo de pila de combustible 100 que comprende un apilamiento de pila de combustible 110 y otros componentes asociados. El apilamiento de pila de combustible 110 tiene una vía de flujo de cátodo pasando a través de él, la vía de flujo de cátodo comprendiendo una entrada de aire 124 que lleva a una línea de entrada de aire 123 y adentro del apilamiento en la entrada de aire del cátodo 126. Tras atravesar un volumen interno del cátodo (no mostrado) dentro del apilamiento de pila de combustible 110, la vía de flujo de cátodo sale del apilamiento de pila de combustible 110 en la línea de salida del cátodo 121, por la línea de escape de cátodo 122 y una válvula de cierre de escape 120. Durante la operación normal, la válvula de cierre de escape 120 está parcial o completamente abierta. Diversos componentes tales como un intercambiador de calor 130, con ventilador de refrigeración asociado 139, y un separador de agua 131 pueden estar conectados a o parte de la línea de salida del cátodo 121 y línea de escape 122 en la vía de flujo de cátodo. Pueden también estar presentes sensores de temperatura Tax1, TX2, TX3, TX5 y sensores de presión PX2, PX3, conectados en lugares apropiados para controlar la línea de entrada 123 y la línea de salida 121 de la vía de flujo de cátodo.

La expresión “sistema del cátodo” en el presente contexto tiene por objeto abarcar aquellas partes del sistema de pila de combustible 100 que están asociadas con el volumen del cátodo dentro del apilamiento de pila de combustible. Estas incluyen los diversos componentes internos de la pila de combustible como las entradas, salidas, las estructuras de vía de flujo interna y de distribución de agua, así como componentes en comunicación fluída con el volumen del cátodo tal como las diversas líneas de entrada, salida, recirculación y escape para tanto líquidos como gases. El término “vía de flujo de cátodo” tiene como objeto abarcar un subconjunto del sistema del cátodo que incluye una vía de flujo de fluído desde la entrada de aire 124 a través de un compresor de aire 133, la línea de entrada 123, el volumen de cátodo del apilamiento de pila de combustible 110, y la línea de salida de cátodo 121. Los términos “sistema de ánodo” y “vía de flujo de ánodo” deben interpretarse de forma similar, con referencia a los diversos componentes del sistema de pila de combustible 100 asociados con el volumen de ánodo.... [Seguir leyendo]

1. Un sistema de pila de combustible (100) que comprende un apilamiento de pila de combustible (110) y una unidad eléctrica de control (230) configurada para ajustar parámetros de operación del apilamiento de pila de combustible (110) para optimizar la operación del sistema de pila de combustible (100) en una desviación estándar de salidas de tensión de una pluralidad de pilas en el apilamiento de pila de combustible (110) , caracterizado porque la unidad eléctrica de control (230) está configurada para optimizar la operación del sistema de pila de combustible (100) ajustando los parámetros de operación del apilamiento de pila de combustible para reducir la función en la que Ov es una desviación estándar de las salidas de tensión de la pluralidad de pilas, Pp es una carga parásita y a, º son constantes.

2. El sistema de pila de combustible (100) de la Reivindicación 1 en el que los parámetros de operación incluyen uno o más de:

i) un caudal de aire suministrado a una entrada de cátodo (156) en el apilamiento de pila de combustible;

ii) un nivel de calor aplicado al apilamiento de pila de combustible (110) por medio de placas calentadoras (330a, 330b) provistas en extremos opuestos del apilamiento (110) ; y

iii) la intensidad extraída del apilamiento de pila de combustible (110) .

3. Un sistema de pila de combustible (100) según la Reivindicación 1 o la Reivindicación 2 en donde la unidad eléctrica de control (230) está configurada para:

i) abrir una válvula de entrada de ánodo (153) para permitir que entre combustible en un volumen de ánodo del apilamiento de pila de combustible (110) ;

ii) operar un compresor de aire (133) en comunicación fluída con la línea de aire del cátodo (156) del apilamiento de pila de combustible (110) para permitir que entre aire en un volumen de cátodo del apilamiento de pila de combustible (110) ;

iii) controlar la temperatura de la entrada y/o salida del cátodo (156) ;

iv) operar un sistema de inyección de agua para inyectar agua en el volumen de cátodo una vez la temperatura del fluído que pasa a través de la entrada y/o salida del cátodo exceda un nivel preestablecido; y

v) limitar una intensidad extraída del apilamiento de pila de combustible para evitar que una tensión medida en una o más pilas en el apilamiento de pila de combustible caiga por debajo de un primer umbral de tensión.

4. El sistema de pila de combustible de la Reivindicación 3 que comprende una unidad multiplexora configurada para recibir señales de tensión desde cada una de la pluralidad de pilas y proporcionar al menos dos salidas digitales a la unidad eléctrica de control para indicar la tensión de una o más de la pluralidad de pilas.

5. El sistema de pila de combustible de la Reivindicación 4 en el que las salidas digitales están adaptadas para indicar si:

i) la tensión de una o más pilas está por debajo del primer umbral de tensión; y

ii) la tensión de una o más pilas está por debajo de un segundo umbral de tensión mayor que el primer umbral de tensión.

6. El sistema de pila de combustible de la Reivindicación 5 en el que la unidad eléctrica de control está configurada para desconectar el apilamiento de pila de combustible de una carga eléctrica si las salidas digitales indican que la tensión de una o más pilas está por debajo del primer umbral de tensión y para reconectar la carga eléctrica después de que la tensión aumente por encima del segundo umbral de tensión.

7. El sistema de pila de combustible de la Reivindicación 4 o 5 que comprende una Red de Área de Controlador, en donde el controlador y/o multiplexor están configurados para proporcionar una indicación de la tensión de cada una dela pluralidad de pilas a la Red de Área de Controlador.

8. Un método para optimizar la operación de un sistema de pila de combustible que comprende un apilamiento de pila de combustible y una unidad eléctrica de control, el método comprendiendo:

proporcionar una indicación de una salida de tensión de cada una de una pluralidad de pilas en el apilamiento de pila de combustible a la unidad de control eléctrico; y

optimizar la operación del sistema de pila de combustible en base a una desviación estándar de las salidas de tensión de la pluralidad de pilas,

en el que la unidad eléctrica de control ajusta los parámetros de operación del apilamiento de pila de combustible para optimizar la operación del sistema de pila de combustible, caracterizado porque la unidad eléctrica de control optimiza la operación del sistema de pila de combustible ajustando los parámetros de funcionamiento del apilamiento de pila de combustible para reducir la función ºonºe Ov es la desviación estándar de las salidas de tensión de la pluralidad de pilas, Pp es la carga eléctrica parásita y a, ºson constantes.

9. El método de la Reivindicación 8 en el que los parámetros de operación incluyen uno o más de: i) un caudal de aire suministrado a una entrada de cátodo en el apilamiento de pila de combustible; ii) un nivel de calor aplicado al apilamiento de pila de combustible por medio de placas calentadoras provistas

en extremos opuestos del apilamiento; y iii) la intensidad extraída del apilamiento de pila de combustible.

10. Un métdo para comenzar la operación de un sistema de pila de combustible que comprende un apilamiento de pila de combustible, el método comprendiendo los pasos de:

i) abrir una válvula de entrada de ánodo para permitir que entre combustible en un volumen de ánodo del apilamiento de pila de combustible;

ii) operar un compresor de aire en comunicación fluída con una entrada de aire de cátodo del apilamiento de pila de combustible para permitir que entre aire en un volumen de cátodo del apilamiento de pila de combustible;

iii) controlar la temperatura de la entrada y/o salida del cátodo;

iv) operar un sistema de inyección de agua para inyectar agua dentro del volumen de cátodo una vez que la temperatura del fluído que pasa a través de la entrada y/o salida del cátodo exceda un nivel preestablecido; y

optimizar la operación del sistema de pila de combustible según el método de la Reivindicación 8,

en donde una intensidad extraída del apilamiento de pila de combustible está limitada para impedir que una tensión medida en una o más pilas en el apilamiento de pila de combustible caiga por debajo de un primer umbral de tensión.

11. El método de la Reivindicación 10 en el que una indicación de una tensión de cada una de una pluralidad de pilas en el apilamiento de pila de combustible se proporciona a un controlador, el controlador ajustando parámetros de control del sistema de pila de combustible.

12. El método de la Reivindicación 11 en el que el controlador proporciona salidas digitales para indicar la tensión de una o más de la pluralidad de pilas.

13. El método de la Reivindicación 12 en donde las salidas digitales indican si: i) la tensión de una o más pilas está por debajo del primer umbral de tensión; y ii) la tensión de una o más pilas está por debajo de un segundo umbral de tensión mayor que el primer umbral

de tensión.

14. El método de la Reivindicación 13 en el que, si las salidas digitales indican que la tensión de una o más pilas está por debajo el primer umbral de tensión, el apilamiento de pila de combustible se desconecta de una carga eléctrica, la carga eléctrica siendo reconectada después de que la tensión aumente por encima del segundo umbral de tensión.

15. El método de cualquiera de las 1. a 14 en el que el controlador proporciona una indicación de latensión de cada una de la pluralidad de pilas a una Red de Área de Controlador.