Sistema de celdas de combustible.

Un método de interrupción del funcionamiento de un sistema de celdas de combustible que comprende una pila de celdas de combustible (110),

comprendiendo el método las etapas secuenciales de:

i) detener un suministro de combustible a la pila de celdas de combustible;

ii) cerrar una válvula de cierre (120) en una conducción de escape (122) en comunicación fluida con un sistema de cátodo del sistema de celdas de combustible, comprendiendo el sistema de cátodo una trayectoria de flujo de fluido del cátodo que pasa a través de la pila de celdas de combustible;

iii) presurizar el sistema de cátodo con un compresor de aire (133) en comunicación fluida con un puerto de entrada de aire del cátodo (126) en la pila de celdas de combustible, y

iv) expulsar agua de la trayectoria de flujo del cátodo a través de una conducción de inyección de agua del cátodo (125) en comunicación fluida con una entrada de inyección de agua del cátodo (127) en la pila de celdas de combustible.

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

Antecedentes El agua es esencial para el funcionamiento de un sistema de celdas de combustible, por ejemplo el sistema descrito en la presente memoria comprende una pila de celdas de combustible basada en 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 celdas 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 celdas de combustible.

Para optimizar el rendimiento, el agua puede emplearse deliberadamente en tales sistemas de celdas 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 ºC para reproducir entornos en los que puede ser utilizada la celda de combustible en la práctica. Puesto que el agua de alta pureza tiene un punto de congelación de 0 ºC (a presión de 100 kPa (1 bar) ) , cualquier agua que quede en el sistema de celdas de combustible, con tiempo suficiente, se congela después del apagado de la celda de combustible.

El hielo en el sistema de celdas 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 para el apagado de una pila de celdas de combustible, como la 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.

El documento JP 2003-317754 describe un sistema de celdas de combustible que tiene una operación de apagado que incluye un primer proceso de drenaje de agua y un segundo proceso de drenaje de agua, en el que el primer proceso de drenaje de agua purga un conducto de agua situado entre el condensador de descarga del cátodo de la pila y un depósito de agua, y el segundo proceso de drenaje de agua purga un conducto de agua situado entre un humidificador del cátodo y un depósito de agua usando la presión de un compresor de suministro de aire del cátodo. El documento WO 2004/051779 desvela un sistema de celdas de combustible que tiene una operación de apagado en la que el agua del colector de salida del cátodo es devuelta a un depósito de agua elevando la presión del cátodo, tras lo que se cierra una válvula de apagado para mantener el estado drenado del colector y, a continuación, se drenan una trayectoria de descarga y una trayectoria de retorno.

Resumen En un primer aspecto, la invención proporciona un método de interrupción del funcionamiento de un sistema de celdas de combustible que comprende una pila de celdas de combustible, comprendiendo el método las etapas secuenciales de:

i) detener un suministro de combustible a la pila de celdas de combustible; ii) cerrar una válvula de cierre en una conducción de escape en comunicación fluida con un sistema de cátodo del sistema de celdas de combustible, sistema de cátodo que comprende una trayectoria de flujo de fluido del cátodo que pasa a través de la pila de celdas 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 celdas de combustible, y iv) expulsar agua de la trayectoria de flujo del cátodo a través de una conducción de inyección de agua del cátodo en comunicación fluida con una entrada de inyección de agua del cátodo en la pila de celdas de combustible.

En un segundo aspecto, la invención proporciona un sistema de celdas de combustible que comprende:

una pila de celdas de combustible; un sistema de cátodo que tiene una trayectoria de flujo de fluido de cátodo que comprende una conducción de entrada de aire de cátodo, un volumen de cátodo dentro de la pila de celdas de combustible y una conducción de salida de cátodo conectada en serie y configurada para permitir el paso de aire a través de la pila de celdas de combustible; un compresor de aire en comunicación fluida con la conducción de entrada de aire de cátodo, un recipiente de contención aislado térmicamente configurado para recibir agua por una conducción de retorno de agua de la trayectoria de flujo de cátodo y proporciona agua a una entrada de inyección de agua del cátodo de la pila de celdas de combustible por una conducción de inyección de agua del cátodo., en el que el sistema de celdas de combustible está configurado para expulsar agua de la trayectoria de flujo de cátodo al recipiente de contención por la conducción de inyección de agua del cátodo 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 celdas de combustible que comprende:

una pila de celdas de combustible; un sistema de cátodo que tiene una trayectoria de... [Seguir leyendo]

1. Un método de interrupción del funcionamiento de un sistema de celdas de combustible que comprende una pila de celdas de combustible (110) , comprendiendo el método las etapas secuenciales de:

i) detener un suministro de combustible a la pila de celdas de combustible; ii) cerrar una válvula de cierre (120) en una conducción de escape (122) en comunicación fluida con un sistema de cátodo del sistema de celdas de combustible, comprendiendo el sistema de cátodo una trayectoria de flujo de fluido del cátodo que pasa a través de la pila de celdas de combustible;

iii) presurizar el sistema de cátodo con un compresor de aire (133) en comunicación fluida con un puerto de entrada de aire del cátodo (126) en la pila de celdas de combustible, y iv) expulsar agua de la trayectoria de flujo del cátodo a través de una conducción de inyección de agua del cátodo (125) en comunicación fluida con una entrada de inyección de agua del cátodo (127) en la pila de celdas de combustible.

2. El método de la reivindicación 1, en el que la etapa iv) comprende además la expulsión de agua de la trayectoria de flujo del cátodo a través de uno o más de:

un separador de agua (131) ; un intercambiador de calor (130) ; y una conducción de retorno de agua (128) .

3. El método de la reivindicación 2, en el que el agua es expulsada de la trayectoria de flujo del cátodo a un 25 recipiente de contención (140) aislado térmicamente.

4. El método de la reivindicación 3, en el que el agua es expulsada a través del separador de agua (131) a una conducción de escape (122) de la trayectoria de flujo del cátodo y a un recipiente de contención (140) .

5. El método de cualquiera de las reivindicaciones 3 a 4, en el que el recipiente de contención (140) comprende una bomba (230, 231, 240) configurada para proporcionar agua desde el recipiente de contención a la entrada de inyección de agua (127) de la pila de celdas de combustible.

6. El método de la reivindicación 5, en el que un cabezal de bomba (230) de la bomba está sumergido en agua 35 dentro del recipiente de contención (140) .

7. El método de la reivindicación 6, en el que una parte motorizada (231) de la bomba está dispuesta fuera del volumen de contención de agua del recipiente de contención (140) , estando la parte motorizada conectada al cabezal de bomba (230) por un eje de accionamiento (240) .

8. El método de la reivindicación 4, en el que el compresor de aire (133) está en funcionamiento hasta que sustancialmente todo el agua presente en la conducción de escape (122) y en la conducción de inyección de agua (125) situada entre la pila de celdas de combustible (110) y el recipiente de contención (140) es expulsado al

recipiente de contención. 45

9. El método de cualquiera de las reivindicaciones 3 a 8 que comprende además la etapa subsiguiente de:

v) mantener el agua del recipiente de contención (140) por encima de una temperatura preestablecida por medio de un elemento de calentamiento controlado termostáticamente (236) . 50

10. El método de la reivindicación 9, en el que el elemento de calentamiento controlado termostáticamente (236) se desconecta un tiempo preestablecido después de cerrarse la válvula de cierre (120) .

11. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 10, en el que el recipiente de contención (140)

comprende un calentador (237) configurado para descongelar agua en el recipiente de contención tras el apagado del sistema de celdas de combustible.

12. El método de la reivindicación 3, en el que el agua expulsada de la trayectoria de flujo del cátodo pasa a través del intercambiador de calor (130) antes de pasar a través del separador de agua (131) y llegar al recipiente de 60 contención (140) .

13. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en el que el compresor de aire (133) está en funcionamiento durante un tiempo preestablecido tras cerrarse la válvula de cierre (120) y hasta alcanzarse un nivel de agua predeterminado en la trayectoria de flujo del cátodo.

14. Un sistema de celdas de combustible (100) que comprende:

una pila de celdas de combustible (110) ; un sistema de cátodo que tiene una trayectoria de flujo de fluido de cátodo que comprende una conducción de entrada de aire de cátodo (123) , un volumen de cátodo dentro de la pila de celdas de combustible y una conducción de salida de cátodo (121) conectadas en serie y configuradas para permitir el paso de aire a través de la pila de celdas de combustible; un compresor de aire (133) en comunicación fluida con la conducción de entrada de aire del cátodo; un recipiente de contención (140) aislado térmicamente configurado para recibir agua a través de una conducción de retorno de agua de cátodo (128) de la trayectoria de flujo de cátodo y proporcionar agua a una entrada de inyección de agua de cátodo (127) de la pila de celdas de combustible a través de una conducción de inyección de agua de cátodo (125) , en donde el sistema de celdas de combustible está configurado para expulsar agua desde la trayectoria de flujo de cátodo al recipiente de contención (140) a través de la conducción de inyección de agua de cátodo (125) al interrumpirse el funcionamiento del sistema.

15. El sistema de celdas de combustible de la reivindicación 14, en el que el recipiente de contención (140) está conectado con fluidez a una conducción de inyección de agua (125) que comprende una entrada de inyección de agua de cátodo (127) en la pila de celdas de combustible (110) , estando la conducción de inyección de agua configurada para permitir el paso del agua desde el volumen del cátodo de la pila de celdas de combustible al recipiente de contención.

16. El sistema de celdas de combustible de la reivindicación 15, en el que la conducción de inyección de agua (125) comprende una válvula de alivio de flujo inverso (213) configurada para permitir el paso del agua desde la trayectoria de flujo del cátodo al recipiente de contención (140) cuando se invierte una diferencia de presión a través de la válvula desde la misma durante el funcionamiento del sistema de celdas de combustible.

17. El sistema de celdas de combustible de la reivindicación 14 que comprende además:

un intercambiador de calor (130) conectado en serie con un separador de agua (131) hasta la conducción de salida de cátodo (121) de la trayectoria de flujo de fluido del cátodo, en el que hay una conducción de salida de expulsión de agua del separador de agua (131) conectada a un recipiente de contención de agua (140) por una primera conducción de retorno de agua (128a) .

18. El sistema de celdas de combustible de la reivindicación 17, en el que la salida de expulsión de agua del intercambiador de calor (130) está conectada al recipiente de contención de agua (140) por una segunda conducción de retorno de agua (128b) .

19. El sistema de celdas de combustible de la reivindicación 18 que comprende una bomba de agua (132a, 132b) en cada una de las primera (128a) y segunda (128b) conducciones de retorno de agua.