Sistemas de pilas de combustible que producen hidrógeno con sistemas de suministro de materia prima sensibles a la carga.

Un sistema de pila de combustible (10), que comprende:

un ensamble de generación de hidrógeno (12) con una región que produce hidrógeno (212,

232) que produce el gas de hidrógeno (42) a partir de, al menos, una materia prima;

un sistema de suministro de materia prima (217) que suministra una corriente de alimentación (216), que contiene, al menos, una materia prima, p.ej. agua y una materia prima que contiene carbono, a la región que produce hidrógeno del ensamble de generación de hidrógeno;

un apilado de pilas de combustible (24, 146) que recibe gas de hidrógeno producido por el ensamble de generación de hidrógeno y produce una salida eléctrica (79) de ahí para satisfacer, al menos, una porción de la carga aplicada; y

un sistema de control (100) que se adapta para regular la velocidad de alimentación a la que la corriente de alimentación se suministra a la región que produce hidrógeno, en donde el sistema de control incluye una porción del control de alimentación directa (140) y una porción del control de realimentación (142) que cooperativamente regulan la velocidad de alimentación a la que la corriente de alimentación se suministra a la región que produce hidrógeno sensible, al menos en parte, a la demanda de gas de hidrógeno por el apilado de pilas de combustible para satisfacer la porción de carga aplicada; donde la porción de control de la alimentación directa determina una cantidad de carga aplicada que no es satisfecha por el apilado de pilas de combustible usando gas de hidrógeno producido por el ensamble de generación de hidrógeno y estima un régimen de flujo de gas de hidrógeno requerido por el apilado de pilas de combustible para satisfacer la carga aplicada, en donde la porción de control de realimentación se adapta para ajustar el régimen de flujo estimado de gas de hidrógeno estimado por la porción de control de alimentación directa, sensible a la velocidad a la que el gas de hidrógeno producido por el ensamble de generación de hidrógeno, es consumido por el apilado de pilas de combustible.

Sistemas de pilas de combustible que producen hidrógeno con sistemas de suministro de materia prima sensibles a la carga Solicitudes relacionadas La presente solicitud reivindica la prioridad de la solicitud de patente provisional de Estados Unidos con número de serie 60/800, 654, titulada igualmente que se presentó el 15 de mayo de 2006, y solicitud de patente de los Estados Unidos con número de serie 11/747, 091, que se presentó el 17 de mayo de 2007..

Campo de la descripción La presente descripción está dirigida generalmente a sistemas de pilas de combustible que producen hidrógeno, y más particularmente a sistemas de pilas de combustible que producen hidrógeno que poseen sistemas de de entrega de materias primas que responden a la demanda de hidrógeno del sistema de celda de combustible.

Antecedentes de la descripción Un ensamble de generación de hidrógeno, o un ensamble de procesamiento de combustible productor de hidrógeno, es un ensamble que convierte una o más materia prima en una corriente que contiene gas de hidrógeno como componente mayoritario. El gas de hidrógeno producido se puede usar en una variedad de aplicaciones. Una de tales aplicaciones es la producción de energía, tales como en pilas de combustible electroquímicas. Una celda de combustible electroquímica es un dispositivo que convierte un combustible y un oxidante en electricidad, un producto de reacción, y calor. Por ejemplo, las pilas de combustible pueden convertir el hidrógeno y el oxígeno en agua y electricidad. En tales pilas de combustible, el hidrógeno es el combustible, el oxígeno es el oxidante, y el agua es un producto de reacción. Las pilas de combustible típicamente se acoplan juntas para formar un apilado de pilas de combustible .

Un sistema de pila de combustible que produce hidrógeno es un sistema que también incluye un apilado de pilas de combustible que se adapta para recibir gas de hidrógeno producido por el ensamble de procesamiento de combustible y para generar una corriente eléctrica de ahí. El sistema de pila de combustible que produce hidrógeno incluye una región de producción de hidrógeno en que el gas de hidrógeno se produce como el producto mayoritario de la reacción de uno o más fuentes de materia prima. La composición, régimen de flujo, y propiedades de materia (a) primas (s) entregada (s) a la región que produce hidrógeno puede afectar el desempeño del ensamble de generación de hidrógeno. Ello, a su vez, puede afectar el desempeño del apilado de pilas de combustible, del sistema de pila de combustible que produce hidrógeno, y/o su habilidad de satisfacer una carga aplicada a ella. En consecuencia, los ensambles que procesan combustible que producen hidrógeno y los sistemas de pilas de combustible que producen hidrógeno típicamente incluirán varios controles que regulen el flujo de materia prima a la región donde se produce hidrógeno.

Para producir eficientemente gas de hidrógeno, la (s) materia (s) prima (s) de un sistema de pila de combustible que produce hidrógeno deben ser entregadas bajo condiciones de operación deseables, incluyendo temperaturas y presiones en un intervalo predeterminado, a una región donde se produce hidrógeno del ensamble de procesamiento de combustible. El producto de la corriente de hidrógeno desde la región donde se produce hidrógeno puede ser purificado, si se requiere, y después de eso ser usado como una corriente de combustible para un apilado de pilas de combustible que produce una corriente eléctrica a partir de la corriente del producto de hidrógeno y un oxidante, tal como el aire. Esta corriente eléctrica, o energía de salida, desde el apilado de pilas de combustible, puede ser utilizado para satisfacer las demandas de energía de un dispositivo consumidor de energía.

Una consideración a tener con cualquier sistema de pila de combustible que produce hidrógeno es el tiempo que se toma para comenzar a generar una deseada corriente eléctrica a partir del gas de hidrógeno producido por un sistema de celda de combustible después de que haya una necesidad de comenzar a hacerlo. En alguna aplicaciones, puede ser aceptable disponer de un periodo de tiempo en el que haya una demanda, o deseo, de tener al sistema de celda de combustible produciendo una energía de salida para satisfacer una carga aplicada, pero en el que el sistema no es capaz de producir la energía de salida deseada a partir del gas de hidrógeno producido por el ensamble de procesamiento de combustible del sistema de celdas de combustible. En otras aplicaciones, no es deseable o aceptable que haya tal período donde la carga aplicada desde el dispositivo consumidor de energía no pueda ser satisfecha por la corriente eléctrica producida a partir del gas de hidrógeno actualmente generada por el ensamble de generación de hidrógeno. Como un ejemplo ilustrativo, algunos sistemas de celda de combustible se utilizan para proveer un apoyo, o energía suplementaria, a un tamiz eléctrico u otra fuente primaria de energía. Cuando la fuente primaria de energía no es capaz de satisfacer la carga aplicada a ella, es frecuentemente deseable un apoyo o sistema de celda de combustible suplementario para que sea capaz de proveer

prácticamente de forma instantánea la energía para que el suministro de energía al dispositivo consumidor de energía no se interrumpa, o no sea perceptiblemente interrumpido.

Las pilas de combustible típicamente pueden comenzar a generar una corriente eléctrica dentro de un período de tiempo muy corto después que el gas de hidrógeno u otro combustible adecuado y un oxidante, tal como aire, se suministren a la misma. Por ejemplo, un apilado de pilas de combustible puede adaptarse para producir una corriente eléctrica dentro de menos de un segundo después de que los flujos de gas de hidrógeno y aire (u otra corriente de oxidante) se suministren a las pilas de combustible en el apilado de pilas de combustible. Incluido el tiempo requerido para iniciar la entrega de estas corrientes a partir de una fuente que contiene el gas de hidrógeno y aire, el tiempo requerido para producir la corriente eléctrica todavía debe ser relativamente corto, tal como menos de un minuto. Sin embargo, los sistemas de pilas de combustible que producen hidrógeno que requieren que el gas de hidrógeno gas se produzca primero, y quizás se purifique, antes de ser utilizado para generar la energía de salida deseada, toman más tiempo para generar la energía de salida. Cuando el ensamble de procesamiento de combustible ya está a la temperatura de producir hidrógeno, el sistema de celda de combustible puede ser capaz de producir la energía de salida deseada del gas de hidrógeno generado por el ensamble de procesamiento de combustible dentro de unos minutos o menos. Sin embargo, cuando el procesador de combustible que produce hidrógeno del ensamble de procesamiento de combustible del sistema de celda de combustible no está ya o cerca de la temperatura de producción de hidrógeno, el tiempo requerido será mucho mayor.

Convencionalmente, se han usado diferentes enfoques para proveer los sistemas de pilas de combustible que producen hidrógeno que puedan satisfacer una carga aplicada mientras que el ensamble de procesamiento de combustible que produce hidrógeno no sea capaz de hacerlo. Un enfoque es incluir una o más baterías u otros dispositivos de almacenamiento de energía adecuados que puedan ser usados para satisfacer la carga aplicada hasta que el ensamble de procesamiento de combustible pueda producir suficiente gas de hidrógeno para el sistema de celda de combustible para producir de ahí una energía de salida suficiente para satisfacer la carga aplicada. Sin embargo, la capacidad de tal batería o de otro dispositivo de almacenamiento de energía es limitado, y es por lo tanto necesario que el ensamble de generación de hidrógeno se ajuste a la velocidad de producción de gas de hidrógeno en la medida que la demanda de este gas de hidrógeno gas por el apilado de pilas de combustible aumente. Similarmente, cuando esta demanda decrece, es deseable que el ensamble de generación de hidrógeno reduzca la velocidad a la que se produce el gas de hidrógeno. Algunos ensambles de generación de hidrógeno pueden incluir un mecanismo para consumir, o de otra manera, utilizar el exceso de gas de hidrógeno, pero la eficiencia general del conjunto se reduce generalmente cuando se genera el gas de hidrógeno en exceso. US 2004/080297 describe un método y sistema para controlar un suministro de combustible a una pila de combustible de hidrógeno de ánodo cerrado. El subsistema de control de suministro de combustible y el sistema de control de consumo de hidrógeno se describen como operables de manera independiente.

Breve descripción de las figuras

La Fig.... [Seguir leyendo]

1. Un sistema de pila de combustible (10) , que comprende:

un ensamble de generación de hidrógeno (12) con una región que produce hidrógeno (212, 232) que produce el gas de hidrógeno (42) a partir de, al menos, una materia prima; un sistema de suministro de materia prima (217) que suministra una corriente de alimentación (216) , que contiene, al menos, una materia prima, p.ej. agua y una materia prima que contiene carbono, a la región que produce hidrógeno del ensamble de generación de hidrógeno;

un apilado de pilas de combustible (24, 146) que recibe gas de hidrógeno producido por el ensamble de generación de hidrógeno y produce una salida eléctrica (79) de ahí para satisfacer, al menos, una porción de la carga aplicada; y un sistema de control (100) que se adapta para regular la velocidad de alimentación a la que la corriente de alimentación se suministra a la región que produce hidrógeno, en donde el sistema de control incluye una porción del control de alimentación directa (140) y una porción del control de realimentación (142) que cooperativamente regulan la velocidad de alimentación a la que la corriente de alimentación se suministra a la región que produce hidrógeno sensible, al menos en parte, a la demanda de gas de hidrógeno por el apilado de pilas de combustible para satisfacer la porción de carga aplicada; donde la porción de control de la alimentación directa determina una cantidad de carga aplicada que no es satisfecha por el apilado de pilas de combustible usando gas de hidrógeno producido por el ensamble de generación de hidrógeno y estima un régimen de flujo de gas de hidrógeno requerido por el apilado de pilas de combustible para satisfacer la carga aplicada, en donde la porción de control de realimentación se adapta para ajustar el régimen de flujo estimado de gas de hidrógeno estimado por la porción de control de alimentación directa, sensible a la velocidad a la que el gas de hidrógeno producido por el ensamble de generación de hidrógeno, es consumido por el apilado de pilas de combustible.

2. El sistema de celda de combustible de la reivindicación 1, en donde la porción de control de alimentación directa se adapta para estimar el régimen de flujo del gas de hidrógeno es sensible, al menos en parte, a la comparación de un voltaje de la salida eléctrica del apilado de pilas de combustible con el voltaje de salida predeterminado (144) .

3. El sistema de celda de combustible de la reivindicación 2, en donde la porción de control de la realimentación se adapta para ajustar el régimen de flujo de gas de hidrógeno estimado es sensible, al menos en parte, a una impedancia de un dispositivo de almacenamiento de energía asociado con el sistema de celda de combustible.

4. El sistema de celda de combustible de la reivindicación 2, en donde la porción de control de realimentación se adapta para ajustar el régimen de flujo de gas de hidrógeno estimado es sensible, al menos en parte, a la corriente de salida eléctrica del apilado de pilas de combustible.

5. El sistema de celda de combustible de la reivindicación 1, en donde la porción de control de alimentación directa es aun más adaptada para predecir una futura demanda de gas de hidrógeno por el apilado de pilas de combustible y para selectivamente ajustar el régimen de flujo de gas de hidrógeno estimado sensible a él.

6. El sistema de celda de combustible de la reivindicación 1, en donde la porción de control de alimentación directa estima la velocidad a la que la corriente de alimentación se suministra a la región que produce hidrógeno es 45 sensible a la fórmula:

Velocidad de Alimentación = K1 * (Salida_Eléctrica_a partir del_Ensamble de_Almacenamiento de_Energía) + K2 * (Salida_Eléctrica de la_Reserva de_Celda de_Combustible)

donde la Velocidad de alimentación es una fracción de una velocidad máxima de alimentación del sistema de suministro de materia prima, y K1 and K2 son constantes de proporcionalidad.

7. El sistema de celda de combustible de la reivindicación 1, en donde la porción de control de alimentación estima la 55 velocidad a la que la corriente de alimentación se suministra a la región que produce hidrógeno es sensible a la fórmula:

en donde la Velocidad de Alimentación es una fracción de la velocidad máxima de alimentación del sistema de suministro de materia prima, VPunto_Fijo es un voltaje predeterminado de la salida eléctrica del apilado de pilas de combustible, VMedido es un voltaje medido de la salida eléctrica del apilado de pilas de combustible, ZBatería es la impedancia de un dispositivo de almacenamiento de energía asociado con el sistema de celda de combustible, K1 y K2 son constantes de proporcionalidad, e I Apilado de Celda de Combustible es la corriente de salida eléctrica del apilado de pilas de combustible.

8. El sistema de celda de combustible de cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en donde el sistema de control se adapta para monitorear y regular selectivamente la velocidad de alimentación a la que la corriente de alimentación se suministra a la región que produce hidrógeno es sensible, al menos en parte, a la carga aplicada.

9. El sistema de celda de combustible de cualquiera de las reivindicaciones 1-8, en donde la porción de control de realimentación monitorea un parámetro de operación del sistema de celda de combustible que es indicativo del sistema de suministro de materia prima suministrando una o más materias primas que las necesarias para producir la cantidad opcional requerida de gas de hidrógeno, en donde el parámetro de operación es la presión del gas de hidrógeno producido por la región que produce hidrógeno.

10. El sistema de celda de combustible de cualquiera de las reivindicaciones 1-8, en donde la porción de control de la realimentación se adapta para ajustar el régimen de flujo estimado en cantidades incrementales predeterminadas,

o en porcentajes predeterminados del régimen de flujo estimado.

11. El sistema de celda de combustible de cualquiera de las reivindicaciones 1-10, en donde el sistema de control incluye un controlador (102) que está en comunicación con un ensamble de sensores (104) , y en donde el ensamble de sensor se adapta medir los parámetros de operación opcionalmente seleccionados del sistema de celda de combustible en donde el sistema de control se adapta para monitorear y selectivamente regular la velocidad de alimentación a la que la corriente de alimentación se suministra a la región que produce hidrógeno sensible, al menos en parte, a los parámetros medidos por el ensamble de sensores.

12. Un método para controlar el régimen de flujo de materia prima suministrada a la región que produce hidrógeno (212, 232) de un sistema de pila de combustible que produce hidrógeno (10) que contiene un ensamble de generación de hidrógeno con la región que produce hidrógeno que produce gas de hidrógeno a partir de, al menos, una materia prima, un sistema de suministro de materia prima que suministra una corriente de alimentación que contiene, al menos, una materia prima al ensamble de generación de hidrógeno, y un apilado de pilas de combustible (24) , que recibe gas de hidrógeno producido por el ensamble de generación de hidrógeno y produce una salida eléctrica de ella para satisfacer, al menos una porción, de la aplicada, el método que comprende:

regular, con un sistema de control con una porción de control de alimentación directa y una porción de control de realimentación, el régimen de flujo de materia prima a la región que produce hidrógeno del ensamble de generación de hidrógeno (12) sensible, al menos en parte, a la demanda de gas de hidrógeno por el apilado de pilas de combustible para satisfacer la porción de carga aplicada, en donde la regulación incluye cooperativamente:

estimar, por la porción de control de alimentación directa, del régimen de flujo de gas de hidrógeno requerido por el apilado de pilas de combustible para producir la salida eléctrica para satisfacer la carga que se aplica al apilado de pilas de combustible, en donde la estimación se basa, al menos en parte, en la determinación de una porción de la carga aplicada que no es satisfecha por el apilado de pilas de combustible usando gas de hidrógeno producido por el ensamble de generación de hidrógeno; y ajustar, por la porción de control de realimentación, el régimen de flujo estimado de gas de hidrógeno sensible a la velocidad a la que el gas de hidrógeno es producido por el ensamble de generación de hidrógeno es consumido por el apilado de pilas de combustible.

13. El método de la reivindicación 12, en donde el estimado ulterior incluye la predicción de una demanda futura de gas de hidrógeno por el apilado de pilas de combustible y el ajuste del régimen de flujo estimado de gas de hidrógeno sensible a él.

14. El método de la reivindicación 12 de la reivindicación 13, en donde el estimado incluye la selección de una velocidad de alimentación para la corriente de alimentación (216) sensible, al menos en parte, a la comparación de un voltaje de salida eléctrica del apilado de pilas de combustible con el voltaje de salida predeterminado (144) , opcionalmente en donde la comparación incluye el ajuste del régimen de flujo estimado de gas de hidrógeno sensible a una impedancia de un dispositivo de almacenamiento de energía asociado con el sistema de celda de combustible, y/o en donde la comparación incluye el ajuste del régimen de flujo estimado de gas de hidrógeno sensible a la corriente de la salida eléctrica del apilado de pilas de combustible.

15. El método de cualquiera de las reivindicaciones 12-14, en donde el método incluye el monitoreo y regulación selectiva del régimen de flujo a la que la materia prima se suministra a la región que produce hidrógeno sensible, al menos en parte, a la carga aplicada al sistema de celda de combustible por un ensamble que consume energía (51) .

16. El método de cualquiera de las reivindicaciones 12-15, en donde el ajuste incluye el monitoreo de un parámetro de operación del sistema de celda de combustible que es indicativo del sistema de suministro de materia prima suministrando más o menos materia prima que la necesaria para producir la cantidad requerida de hidrógeno, opcionalmente en donde el parámetro de operación es la presión del gas de hidrógeno producido por la región que produce hidrógeno.

17. El método de cualquier reivindicación 2-16, en donde la regulación incluye el régimen de flujo estimado por la porción de control de alimentación directa cantidades incrementales predeterminadas, o en porcentajes predeterminados del régimen de flujo.