Generador de energía eléctrica de células de combustible y método de gestión del mismo.

Un generador de energía eléctrica (1) que comprende una pluralidad de células de combustible apiladas en una pila (5) y configuradas para suministrar una carga eléctrica (6),

comprendiendo el generador (1) medios (2) para generar un combustible gaseoso que se tiene que suministrar a la pila (5), y medios (7, 10) para eliminar al menos parte de un flujo de calor generado en la pila (5) como consecuencia del consumo de dicho combustible gaseoso; comprendiendo el generador (1) medios de calentamiento (8, 9) configurados para mantener dichos medios (2) para la generación de combustible gaseoso en un intervalo de temperatura predeterminado y comprendiendo medios (9) para transferir al menos parte de dicha parte eliminada del flujo de calor generado en la pila (5) desde dichos medios de eliminación (7) hasta dichos medios (2) para la generación de combustible gaseoso; caracterizado por que dichos medios (7) para la eliminación de al menos parte de dicho flujo de calor generado en la pila (5) comprenden un primer circuito hidráulico acoplado térmicamente a la pila (5) a través de la que se hace pasar un flujo de un primer fluido portador térmico y por que dichos medios de calentamiento (8, 9) comprenden un segundo circuito hidráulico (8) acoplado térmicamente a los medios (2) para la generación de combustible gaseoso y a través de los que se hace pasar un flujo de un segundo fluido portador térmico.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/IB2011/000544.

Solicitante: Electro Power Systems S.p.A.

Nacionalidad solicitante: Italia.

Dirección: Via Livorno 60 10144 Torino (TO) ITALIA.

Inventor/es: CHERCHI,PIERPAOLO, GIANOLIO,GIUSEPPE, PULLARA,CRISTINA, BALDINI,LUCA, SILVINI,SIMONE.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • H01M16/00 SECCION H — ELECTRICIDAD.H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS.H01M PROCEDIMIENTOS O MEDIOS, p. ej., BATERIAS, PARA LA CONVERSION DIRECTA DE LA ENERGIA QUIMICA EN ENERGIA ELECTRICA. › Combinaciones estructurales de tipos diferentes de generadores electroquímicos.
  • H01M8/04 H01M […] › H01M 8/00 Pilas de combustible; Su fabricación. › Disposiciones o procesos auxiliares, p. ej. para controlar la presión, para la circulación de fluidos.
  • H01M8/06 H01M 8/00 […] › Combinación de pilas de combustible con medios para la producción de reactivos o para el tratamiento de residuos (pilas de combustible regenerativas H01M 8/18).
  • H01M8/18 H01M 8/00 […] › Pilas de combustible regenerativas, p. ej., baterías de flujo redox o pilas de combustibles secundarias.

PDF original: ES-2536961_T3.pdf

 


Fragmento de la descripción:

Generador de energía eléctrica de células de combustible y método de gestión del mismo

Campo técnico

La presente invención se refiere a un generador de energía eléctrica de células de combustible y a un método de gestión del mismo.

Antecedentes de la técnica

Los generadores de energía eléctrica de células de combustible (UPS) para su uso estacionario y con baja capacidad (5-20 kW) basados en el uso de células de combustible de tipo PEM (Membrana de Intercambio de Protones) , en las que el hidrógeno se utiliza como combustible, están diseñados generalmente para aplicaciones de respaldo. En otras palabras, estos sistemas funcionan en un estado casi constante de "letargo" operativo (estado en espera) pero deben activarse fácilmente en un tiempo muy corto, en condiciones seguras y fiables, para asegurar el cumplimiento de las necesidades de energía eléctrica de la carga deben en caso de emergencia.

Dado que el uso extendido y/o frecuente de estos generadores no es requerido, al menos en principio, la instalación de sistemas complejos para el almacenamiento y suministro de hidrógeno, tales como sistemas de evaporación de hidrógeno líquido, en los que el hidrógeno se almacena a temperaturas criogénicas, no es rentable.

Por otra parte, los sistemas más sencillos para el almacenamiento y suministro de uso más frecuente en el campo, en los que el hidrógeno se toma a partir de conjuntos de cilindros de gas de alta presión, originan problemas de seguridad que a menudo son subestimados, y que están relacionados con su instalación, gestión y mantenimiento.

Con el fin de obviar estos inconvenientes, la práctica operativa de conectar estructuralmente y funcionalmente el acoplamiento de la pila de células de combustible de un generador de energía eléctrica a medios in-situ para generar combustible gaseoso se ha captado en el campo. En particular, cuando las células utilizan hidrógeno como combustible, los generadores de energía eléctrica de células de combustible que comprenden un electrolizador para producir hidrógeno son conocidos. Una configuración típica de un generador de energía eléctrica de este tipo se muestra en la Figura 1.

La Figura 1 muestra esquemáticamente un generador de energía eléctrica de células de combustible 1 para su uso estacionario y de baja capacidad, que comprende un electrolizador 2 configurado para recibir energía eléctrica y agua y convertir esta última en sus dos componentes, hidrógeno y oxígeno. El generador comprende además los depósitos 3, 4 en los que el hidrógeno y el oxígeno producidos por electrolizador 2 se almacenan. El generador 1 comprende una célula de combustible 5 a la que, durante su uso, se suministran los respectivos flujos de hidrógeno y de oxígeno tomados de los depósitos 3, 4.

Dado que las células de combustible apiladas para formar la pila 5 tienen que trabajar dentro de un intervalo de temperatura óptimo para su correcto funcionamiento, la pila 5 se mantiene preferentemente durante su uso a una temperatura sustancialmente constante (generalmente dentro de un intervalo de 40 a 80 ºC) . Para este fin, el generador 1 comprende medios 10 para la disipación del calor producido por la reacción de oxidación que tiene 45 lugar en las células de combustible. Normalmente, estos medios de disipación 10 consisten en uno o más ventiladores apropiadamente dispuestos V1, V2.

Por lo tanto, cuando el generador de energía 1 se activa para cumplir con las necesidades eléctricos de una carga 6, el generador 1 consume el hidrógeno y el oxígeno almacenados previamente en los depósitos 3, 4, que pueden recargarse por el electrolizador 2, por ejemplo, cuando el generador de energía 1 vuelve a la condición de espera.

Existe un intervalo de temperatura de funcionamiento óptimo para el electrolizador 2, también, que es de aproximadamente 40 a aproximadamente 80 ºC. Sin embargo, en el arranque, y por lo tanto durante los primeros minutos de funcionamiento, el electrolizador 2 se ve obligado a trabajar a la temperatura ambiente, es decir, muy por 55 debajo del intervalo de temperatura óptimo. Esto reduce significativamente su eficacia y la salida de hidrógeno y de oxígeno en detrimento del consumo de energía eléctrica utilizado para la electrólisis, y con un aumento indeseado del tiempo necesario para restaurar el contenido de hidrógeno y oxígeno en los depósitos 3, 4 en vista de una nueva intervención del generador 1.

Por lo tanto, en la técnica, existe la necesidad de proporcionar un generador de energía eléctrica de células de combustible, del tipo que comprenda medios in-situ para generar combustible gaseoso, lo que hace posible optimizar las condiciones de funcionamiento de dichos medios, especialmente en la fase de arranque en frío del mismo.

En el campo, existe la necesidad adicional de proporcionar un generador de energía eléctrica de células de combustible del tipo que comprenda medios in-situ para generar combustible gaseoso capaz de reducir los

desechos de la energía y de aumentar la eficacia total del proceso in-situ de generar reactivos y convertir después la energía química de los propios reactivos en energía eléctrica.

Por ejemplo, el documento US6660417 sugiere equipar un generador de energía eléctrica de células de combustible 5 con un dispositivo para transferir el calor desarrollado en la célula de combustible cuando genera energía eléctrica para el electrolizador.

Más particularmente, en el documento US6660417 se hace referencia a una configuración que se proporciona durante un primer periodo (de tres horas) , durante el que el generador se utiliza para generar la energía eléctrica que se tiene que suministrar a la carga, y durante un segundo período (de ocho horas) , durante el que se suministra energía eléctrica al electrolizador para generar hidrógeno.

El documento US6660417 sugiere, Adicionalmente, transportar, durante el primer período, el agua calentada hacia arriba fluyendo a través del circuito de refrigeración de la célula de combustible hasta un depósito de almacenamiento. Durante el segundo período, el documento US6660417 sugiere transportar, a continuación, el agua calentada recogida en el depósito de almacenamiento hasta el electrolizador.

Más particularmente, en una primera realización, el agua calentada se utiliza para ceder el calor al electrolizador. En una segunda realización, el agua calentada se suministra, en cambio, directamente al electrolizador y se somete al proceso de electrólisis.

Sin embargo, la solución del documento US6660417 tiene algunos inconvenientes.

En primer lugar, cabe señalar que el volumen de agua necesario para eliminar el exceso de calor desarrollado en la célula de combustible durante el primer período es generalmente muy elevado y que, en consecuencia, se necesita un depósito muy grande para almacenarlo, en detrimento de la compacidad total del sistema. Por ejemplo, para eliminar un exceso de calor del orden de 1 kW durante 3 h, suponiendo que el agua se toma de 25 a 55 ºC, se requeriría un volumen de aproximadamente 86 l de agua. Por lo tanto, el sistema debe comprender un depósito de almacenamiento adaptado para contener un volumen de agua de al menos aproximadamente 90-100 l.

Este aspecto es particularmente indeseable, especialmente para aplicaciones de respaldo en las que el generador de célula de combustible es una fuente de energía eléctrica alternativa a la fuente de alimentación principal (por ejemplo, la red eléctrica) y, dado que se activa solamente en condiciones de emergencia, es preferentemente un componente auxiliar que se puede disponer convenientemente dentro de espacios destinados a otras actividades (producción, almacenamiento, etc.) .

Adicionalmente, el diseño del tamaño del depósito es directamente dependiente de la duración específica de los respectivos periodos de encendido/apagado del generador de célula de combustible y del electrolizador. Por lo tanto, un sistema de este tipo no es muy adecuado para aplicaciones de respaldo, en las que la duración de los respectivos períodos encendido/apagado tanto del generador como del electrolizador no se pueden estimar de manera unívoca por adelantado, y el número de las intervenciones del generador -y por tanto de los periodos de encendido/apagado -en un día no es intrínsecamente predecible. El volumen de diseño del depósito podría, de hecho, no adecuarse a las condiciones reales de funcionamiento.

Adicionalmente, vale la pena señalar que, de acuerdo con lo sugerido por el documento US6660417, durante el funcionamiento de la célula de combustible, una cantidad considerable de calor se acumula en el sistema, calor que... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Un generador de energía eléctrica (1) que comprende una pluralidad de células de combustible apiladas en una pila (5) y configuradas para suministrar una carga eléctrica (6) , comprendiendo el generador (1) medios (2) para 5 generar un combustible gaseoso que se tiene que suministrar a la pila (5) , y medios (7, 10) para eliminar al menos parte de un flujo de calor generado en la pila (5) como consecuencia del consumo de dicho combustible gaseoso; comprendiendo el generador (1) medios de calentamiento (8, 9) configurados para mantener dichos medios (2) para la generación de combustible gaseoso en un intervalo de temperatura predeterminado y comprendiendo medios (9) para transferir al menos parte de dicha parte eliminada del flujo de calor generado en la pila (5) desde dichos medios 10 de eliminación (7) hasta dichos medios (2) para la generación de combustible gaseoso; caracterizado por que dichos medios (7) para la eliminación de al menos parte de dicho flujo de calor generado en la pila (5) comprenden un primer circuito hidráulico acoplado térmicamente a la pila (5) a través de la que se hace pasar un flujo de un primer fluido portador térmico y por que dichos medios de calentamiento (8, 9) comprenden un segundo circuito hidráulico (8) acoplado térmicamente a los medios (2) para la generación de combustible gaseoso y a través de los que se hace pasar un flujo de un segundo fluido portador térmico.

2. El generador de acuerdo con la reivindicación 1, en el que los medios (9) para transferir al menos parte de dicha parte eliminada del flujo de calor generado en la pila (5) comprenden un intercambiador de calor.

3. El generador de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en el que el combustible gaseoso es hidrógeno y los medios (2) para la generación de combustible gaseoso comprenden un electrolizador configurado para recibir agua y energía eléctrica y generar hidrógeno y oxígeno.

4. El generador de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que los medios (7, 10) para eliminar al 25 menos parte de un flujo de calor generado en la pila (5) comprenden medios de disipación térmica (10) .

5. El generador de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende una unidad de control programada para gestionar los medios de eliminación (7, 10) y los medios de calentamiento (8, 9) a fin de mantener los medios (2) para la generación de combustible gaseoso dentro de dicho intervalo de temperatura predeterminado.

6. Un método para la gestión de un generador de energía eléctrica que tiene células de combustible apiladas en una pila (5) y configuradas para suministrar una carga eléctrica (6) , comprendiendo el generador medios (2) para la generación de un combustible gaseoso que se tiene que suministrar a la pila (5) , y medios (7, 10) para eliminar al menos parte de un flujo de calor generado en la pila (5) como consecuencia del consumo de dicho combustible gaseoso; comprendiendo el método las etapas de:

a) suministrar a la pila (5) un flujo de combustible gaseoso para generar la energía eléctrica requerida por la carga eléctrica (6) ; b) eliminar al menos parte del flujo de calor generado por la pila (5) como consecuencia del consumo de dicho combustible gaseoso por medio de un primer flujo de fluido portador térmico; c) por medio de un segundo flujo de fluido portador térmico, transferir al menos parte de dicha parte eliminada del flujo de calor generado en la pila (5) a dichos medios (2) para la generación de combustible gaseoso, a fin de mantener el mismo dentro de un intervalo de temperatura predeterminado, estando dichos primer y segundo flujos de fluido de vehículo térmico térmicamente acoplados y materialmente separados.

7. El método de acuerdo con la reivindicación 6, que comprende la etapa de generar dicho combustible gaseoso por medio de un proceso electrolítico realizado en dichos medios (2) , en donde dicho intervalo de temperatura predeterminado es de 40 a 80 ºC.

8. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 6 o 7, que comprende la etapa de mantener dicha pila (5) a una temperatura de 40 a 80 ºC.


 

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