Procedimiento y sistema para determinar y controlar la concentración de metanol en una pila DMFC sobre la base de mediciones de impedancia.

Un sistema para medir la concentración de combustible de una pila de células de combustible que comprende una pila de células de combustible con una pluralidad de células de combustible,

un medio para aplicar una corriente continua a una o más células de combustible de una pila de células de combustible, un medio para aplicar una tensión alterna a una o más células de combustible de una pila de celdas de combustible, un medio para la medición de impedancia de corriente alterna de una o más células de combustible de la pila de células de combustible después de la aplicación de la tensión alterna, para proporcionar una medida de la concentración de combustible, y un medio para la medición directa actual de una o más células de combustible de la pila de células de combustible después de una breve interrupción de la carga periódica, para proporcionar una medida de la concentración de combustible.

Procedimiento y sistema para determinar y controlar la concentración de metanol en una pila DMFC sobre la base de mediciones de impedancia.

Esta solicitud de patente reivindica el beneficio de prioridad de la solicitud provisional de EE.UU. n º de serie 61/047, 458, presentada el 24 de abril de 2008.

Ámbito de la invención La presente invención se refiere a métodos y sistemas para el ajuste y determinación eléctrica de la concentración de combustible en una célula de combustible de alcohol directo como la célula de combustible de metanol directo (DMFC) .

Orígenes de la invención Las células de combustible de alcohol directo convierten el combustible de alcohol en iones de hidrógeno y el dióxido de carbono internamente a través de una reacción análoga a lo siguiente para la célula de combustible de metanol directo:

Ánodo: CH3OH + H:, 0 => C02 + 6H+ + 6e~ (1)

Los iones de hidrógeno son conducidos desde el ánodo a través del electrolito polímero. Los electrones son conducidos al cátodo a través del circuito eléctrico externo donde el oxígeno se reduce a agua según la reacción:

Cátodo: V202 + 6H+ + 6e_ => 3H20 (2)

La reacción electroquímica completa es:

CH30H + 3/202+H20 => C02+3H20 (3)

Tal y como se muestra esta reacción, la célula de combustible depende de la presencia de agua líquida para conducir eficazmente los protones. La tensión celular teórica en esta química es 1.18V.

La membrana conductora del ión hidrógeno que separa el ánodo y el cátodo de la célula de combustible es polímero conductor de protón acídico seleccionado de electrolitos de polímeros sólidos disponibles en el mercado como NAFION (copolímero tetrafluoretileno sulfonado; DuPont Fuel Cells, Fayetteville, NC, EE.UU.) , Flemion (una membrana de ácido carboxílico perfluorinada) y AC1PLEX-S (membrana ionómero perfluorosulfonada, Asahi Chemical Company, Kawasaki, Japón) .

El mantenimiento de la eficiencia de la célula de combustible depende de la capacidad para retener la solución de metanol en el compartimiento de combustible de metanol en el lado ánodo de la membrana, una reposición adecuada de combustible y a una resistencia interna baja en la célula.

La difusión del metanol a través de la membrana del electrolito ocasiona un fenómeno conocido como "cortocircuito químico" de la célula de combustible. El metanol que alcanza el cátodo reacciona de forma derrochadora con el oxígeno de una manera similar a la reacción (3) . Sin embargo, en esta reacción de derroche los electrones no atraviesan el circuito eléctrico externo y no pueden proporcionar la energía eléctrica útil. Esta situación se agrava cuando se elevan las concentraciones de metanol en el compartimiento de combustible del ánodo porque una alta concentración de metanol es una fuerza motriz para la difusión de metanol a través de la membrana.

Por otro lado, el mantenimiento de las velocidades de la reacción electroquímica depende del suministro de metanol adecuado. La denudación de la concentración de metanol conduce a la reducción de la generación de energía.

En una pila DMFC, el combustible se hace circular a través de la pila de combustible y se devuelve al compartimento de combustible. Dado que parte del metanol es utilizado por la reacción electroquímica, la concentración de metanol en el compartimento se reduce. En consecuencia, la célula individual y la impedancia de la pila completa cambiarán a menos que se mantenga la concentración de metanol. La concentración de metanol aumenta cuando el agua se pierde, lo que resulta en el aumento de impedancia.

Por lo tanto, es deseable controlar la concentración de metanol en células de combustible con el fin de optimizar la eficiencia de la pila DMFC y mantener la producción.

El control satisfactorio se puede lograr mediante la medición de la concentración de metanol y compensando el consumo de metanol. El consumo de combustible se puede calcular sobre la base de la carga eléctrica transferida. La concentración de metanol puede mantenerse a un nivel especificado mediante la adición de agua como diluyente o adición de alcohol como un concentrado o como una sustancia pura.

El agua y el metanol pueden evaporarse del tanque de combustible, lo que afecta a la concentración de metanol. Además, el metanol se pierde por difusión a través de la membrana de electrolito de polímero (PEM) para el lado del cátodo. Estos cambios en la concentración pueden ser significativos y pueden causar grandes desviaciones de la concentración ideal de alcohol.

Convencionalmente, los cambios de concentración de metanol causados por los otros mecanismos son detectados por técnicas de muestreo y de medición intrusivas basadas en varios principios, tales como índice de refracción del líquido, la velocidad del sonido en el líquido y la densidad del líquido. Un sensor puede ser colocado convenientemente, por ejemplo, en el depósito de combustible o en los canales de conexión del depósito de combustible y la pila de células de combustible. Las propiedades medidas dependen de la composición del líquido. Sin embargo, las propiedades medidas se ven afectadas por la presencia de burbujas de C02 en el líquido y la señal es propensa a imprecisiones causadas por inclusiones gaseosas que producen mediciones no fiables.

Una enseñanza general de la espectroscopia de impedancia electroquímica (EIE) la proporciona Gamr y Instruments (Warminster, PA , EE.UU.) en Gamr y con la extensión .com / Notas de aplicación / EIS Primer / EIS Primer 2007.pdf de la World Wide Web.

EP1820040 describe métodos para detectar e indicar condiciones defectuosas en las células electroquímicas.

La patente de EE.UU. 7.201.980 describe un aparato de célula de combustible y un método para alimentar combustible a una célula de combustible en el que la información sobre la concentración de metanol detectada por un sensor de concentración se envía a un controlador y a la que se remite cuando el mezclador de combustible ajusta la concentración de metanol de la solución mixta. El sensor de concentración proporcionado inmediatamente antes de la célula de combustible se da a conocer para lograr la generación de energía, mientras que la detección de la concentración de metanol sustancial de la solución mezclada se alimenta a la célula de combustible.

La patente de EE.UU. 6.824.899 describe un aparato y métodos para la regulación de la concentración de metanol en un sistema de células de combustible de metanol directo sin la necesidad de un sensor de concentración de metanol. Una o más características de funcionamiento de la célula de combustible, tal como el potencial a través de la carga, potencial de circuito abierto, el potencial en la proximidad del ánodo hasta el final de la trayectoria de flujo de combustible y la corriente de cortocircuito de la célula de combustible se utilizan para controlar activamente la concentración de metanol.

La patente de EE.UU. 6.794.067 describe un sistema de célula de combustible de oxidación directa en el que la fuente de combustible se diluye con un líquido de dilución antes de entrar en la célula de combustible. Para una DMFC en donde la fuente de combustible de metanol se diluye con agua, la constante dieléctrica de la mezcla de combustible que comprende la fuente de combustible y el fluido de dilución se mide para determinar las proporciones relativas de combustible de origen y la dilución de fluido dentro de esta mezcla de combustible. Esta medición se usa entonces en un bucle de retroalimentación para controlar la mezcla posterior de la fuente de combustible con el fluido de dilución, y, en particular , para ajustar la mezcla en el caso de que la mezcla de combustible sea demasiado rica o demasiado diluida en comparación con una proporción de mezcla deseada. Además, una segunda medición de la constante dieléctrica se utiliza para determinar el nivel de combustible fuente de un depósito de combustible que suministra el combustible de origen a la célula de combustible. Un enlace de telecomunicaciones opcional se utiliza para ordenar automáticamente una recarga de combustible de origen cuando la fuente de combustible se agota.

La patente de EE.UU. 6.698.278 describe un método para la medición indirecta de la concentración de combustible en una célula de combustible de alimentación de líquido en el que la concentración de combustible en la corriente de combustible se calcula como una función de la corriente observada , la temperatura de la corriente de combustible que entra en la pila de células de combustible, y la temperatura de la propia pila de la célula de combustible, eliminando así... [Seguir leyendo]

1. Un sistema para medir la concentración de combustible de una pila de células de combustible que comprende una pila de células de combustible con una pluralidad de células de combustible, un medio para aplicar una corriente continua a una o más células de combustible de una pila de células de combustible, un medio para aplicar una tensión alterna a una o más células de combustible de una pila de celdas de combustible, un medio para la medición de impedancia de corriente alterna de una o más células de combustible de la pila de células de combustible después de la aplicación de la tensión alterna, para proporcionar una medida de la concentración de combustible, y un medio para la medición directa actual de una o más células de combustible de la pila de células de combustible después de una breve interrupción de la carga periódica, para proporcionar una medida de la concentración de combustible.

2. Un método para medir la concentración de combustible de una pila de células de combustible durante el funcionamiento que comprende perturbar la pila de células de combustible mediante la aplicación de una tensión alterna (VAC) que recubre la tensión de salida de la pila de células de combustible y la medición de las características de resonancia eléctrica de la pila de células de combustible para proporcionar una medida de la concentración de combustible, y la interrupción de la carga de la pila de células de combustible durante un breve período y la medición de transitorios de voltaje en corriente continua en comparación con voltaje de la célula abierta de la pila para proporcionar una medida de la concentración inicial de combustible.

3. Un método para la optimización de la concentración de combustible de una pila de células de combustible que comprende medir la concentración de combustible de una pila de células de combustible de acuerdo con el método de la reivindicación 2 y el ajuste de una cantidad de combustible o una cantidad de agua suministrada a la pila de células de combustible de manera que la concentración de combustible en la pila de células de combustible está en concentración óptima.

FIG. 1

Pila DMFC

FIG. 3

FIG. 4