INSTALACION DE CELDAS DE COMBUSTIBLE Y METODO PARA OPERAR UNA INSTALACION DE CELDAS DE COMBUSTIBLE.

Instalación de celdas de combustible (2) con al menos una pila de celdas de combustible (4),

a la cual pueden suministrarse gases reactivos (G) por el lado de entrada de gas, y el lado de salida de gas presenta al menos una válvula de purga (18) en una celda de purga (10) y un dispositivo de control, el cual controla el accionamiento de la válvula de purga (18) en función de la tensión (UZunten) de la celda de purga (10), con lo cual se prevé una detección de tensión (24) en la zona de una salida de gas (14) hacia la válvula de purga (18)

Instalación de celdas de combustible y método para operar una instalación de celdas de combustible.

La presente invención hace referencia a una instalación de celdas de combustible y a un método para operar una instalación de celdas de combustible.

Al accionar una instalación de celdas de combustible, se le suministra, por lo general, a un bloque de celdas de combustible, el cual se encuentra formado por pilas de celdas de combustible, para la generación de una corriente eléctrica, en el lado del ánodo, un gas de combustión, por ejemplo, hidrógeno, y en el lado del cátodo, aire u oxígeno como otro gas reactivo. Entre tanto, existe una gran variedad de clases diferentes de instalaciones de celdas de combustible, las cuales se diferencian en cuanto a su estructura y, en particular, en cuanto a los electrolitos utilizados, así como en cuanto a la temperatura de funcionamiento requerida. En una así llamada celda de combustible PEM, entre un ánodo permeable a gas y un cátodo permeable a gas, se encuentra dispuesta una membrana de polímeros, la cual es permeable para protones de hidrógeno. Puesto que una única celda de combustible proporciona aproximadamente 0,7 a 0,9 voltios, pueden unirse eléctricamente en serie unas a otras formando una pila. En este caso, las celdas de combustible individuales se encuentran, regularmente, separadas unas de otras a través de placas bipolares. La placa bipolar presenta, por lo general, una especie de estructura acanalada y se ubica junto a los ánodos así como junto a los cátodos. A través de la estructura acanalada se forma un espacio de gas entre las placas bipolares y los ánodos, así como los cátodos, a través del cual fluyen los gases reactivos.

Al accionar una celda de combustible PEM, protones de hidrógeno se desplazan a través de los electrolitos sobre el lado del oxígeno y reaccionan con el oxígeno. De este modo, surge agua producida por reacción como producto de reacción. A través de humedad de los gases reactivos formada generalmente antes de su ingreso en la celda de combustible, se concentra agua en forma adicional en el espacio de gas. Junto con el agua surgen además -de acuerdo al grado de pureza de los gases reactivos utilizados- gases inertes. En una instalación de celdas de combustible con una pluralidad de pilas de celdas de combustible dispuestas unas tras otras en hilera en forma de cascada, el agua, así como los gases inertes, se concentran en la última pila, así como en la última celda de combustible. Allí los gases reactivos son enriquecidos con gas inerte. Debido a esta "dilución reactiva" se produce una disminución de la tensión de las últimas celdas de combustible, así como de la última pila de celdas de combustible. Esta última pila es, por tanto, purgada en determinados períodos de tiempo, es decir, mediante una válvula de purga es abierta una línea de purga conectada a la pila del lado de salida de gas, de modo que el agua concentrada y los gases inertes son expulsados. La última celda de combustible o la última pila de celdas de combustible se denomina, por tanto, también celda de purga, así como pila de celdas de purga. La disminución de la tensión es considerada, usualmente, como señal de regulación para abrir la válvula de purga, tal como resulta, por ejemplo, de las solicitudes US 2003/0027037 A1, DE 37 32 234 A, DE 21 46 923 A, US-A-35 80 741 o US-A-3 256 116. A través de la purga es enriquecida la concentración de los gases inertes, de modo que el nivel de tensión se incrementa nuevamente.

A través de estas condiciones en la celda de purga, en particular al descender la tensión hasta aproximarse a un potencial de corrosión del material empleado para las placas bipolares, se presenta un riesgo de corrosión para las placas bipolares.

Es objeto de la presente invención el posibilitar un funcionamiento seguro de una instalación de celdas de combustible con el menor riesgo posible de corrosión.

Este objeto se alcanzará, conforme a la invención, a través de una instalación de celdas de combustible con una pila de celdas de combustible compuesta por una pluralidad de celdas de combustible, a la cual pueden suministrarse gases reactivos del lado de entrada de gas y, del lado de salida de gas, presenta al menos una válvula de purga en una celda de purga. La instalación comprende, además, un dispositivo de control, en particular función reguladora, la cual controla el accionamiento de la válvula de purga en función de la tensión de la celda de purga. El detector de tensión para la medición de la tensión en la celda de purga tiene lugar en la zona de una salida de gas hacia la válvula de purga. Como "en la zona de la salida de gas" se entiende en este caso la disposición de la detección de tensión aproximadamente a la altura de la salida de gas. De modo favorable, la detección de tensión -vista en la dirección de flujo de los gases reactivos- tiene lugar, en este caso, en la zona superior o inferior de la celda de purga.

Esta conformación toma como base la reflexión con respecto a la cual los gases inertes concentrados no se distribuyen en la celda de purga en forma regular, sino que más bien se concentran en la zona inferior de la celda de purga en la dirección de flujo. Durante el funcionamiento, por tanto, se regula un declive de la concentración de los gases reactivos en la dirección de flujo del gas desde una entrada de gas superior hacia una salida de gas inferior. Debido a esto, la tensión generada en la celda de purga en la zona de la entrada superior de gas, de acuerdo a la concentración de gas inerte, es en parte marcadamente más elevada que la tensión en la zona inferior próxima a la salida de gas. En el caso de una regulación con un detector de tensión superior en la zona de la entrada de gas, existiría el riesgo de que en las subzonas inferiores de la celda de purga sólo se mantengan aún tensiones bajas, de manera tal que se presenta un elevado riesgo de corrosión. A través de la detección de tensión en la zona inferior próxima a la salida de gas, el dispositivo de control o la función reguladora para el accionamiento de la válvula de purga es muy exacta y sensible, por lo cual resultan evidentes mejoras técnicas de control. En especial, se evita de este modo, que en subzonas de las celdas de combustible, la tensión se ubique por debajo de un valor mínimo de tensión, el cual representa el límite reglamentado inferior. En comparación con una detección de tensión en la zona superior, se producen procesos de purga multiplicados, es decir, que se eleva la tasa de purgas. Preferentemente, la detección de tensión tiene lugar en la zona de un lado del borde de una placa bipolar, mediante la cual se limita la celda de combustible, con lo cual, en la zona del lado del borde se prevé la salida de gas para el gas reactivo.

Para lograr un aprovechamiento lo más eficiente posible de los gases reactivos, la instalación de celdas de combustible presenta una pluralidad de pilas de celdas de combustible dispuestas en forma de cascada. Esto se comprende como una sucesión de pilas de celdas de combustible, a través de las cuales fluyen los gases reactivos, con lo cual, en dirección de flujo de los gases reactivos, la cantidad de celdas de combustible de cada pila consecutiva decrece en forma sucesiva. La disminución del número de celdas de combustible se adapta a la respectiva cantidad de gas restante, la cual se separa de la pila precedente de celdas de combustible. La última pila de celdas de combustible se conforma como pila de celdas de purga con una o varias celdas de purga, a la cual se conecta la válvula de purga.

Preferentemente, la instalación de celdas de combustible se encuentra conformada por celdas de combustible PEM.

El objeto antes mencionado se alcanzará a través de un método para operar una instalación de celdas de combustible, la cual presenta una pila de celdas de combustible, a la cual pueden suministrarse gases reactivos del lado de entrada de gas y, del lado de salida de gas, presenta una celda de purga con una válvula de purga, con lo cual, es medida la tensión de la celda de purga en la zona de la salida de gas hacia la válvula de purga y, en función de la tensión de la celda de purga, es controlado el accionamiento de la válvula de purga.

Las ventajas referidas a la instalación de celdas de combustible y las conformaciones preferentes pueden emplearse también, en forma análoga, en el método.

Un ejemplo de ejecución de la presente invención es explicado en detalle a continuación mediante los dibujos. Éstos muestran, respectivamente, representaciones esquemáticas muy simplificadas:

Figura...

1. Instalación de celdas de combustible (2) con al menos una pila de celdas de combustible (4), a la cual pueden suministrarse gases reactivos (G) por el lado de entrada de gas, y el lado de salida de gas presenta al menos una válvula de purga (18) en una celda de purga (10) y un dispositivo de control, el cual controla el accionamiento de la válvula de purga (18) en función de la tensión (U_Zunten) de la celda de purga (10), con lo cual se prevé una detección de tensión (24) en la zona de una salida de gas (14) hacia la válvula de purga (18).

2. Instalación de celdas de combustible (2) conforme a la reivindicación 1, en la cual, entre dos celdas de combustible (6, 10) se encuentra dispuesta una placa bipolar (20), la salida de gas (14) se encuentra dispuesta en la zona del lado del borde inferior (26) de la placa bipolar (20) y, en la zona de este lado del borde (26) se prevé la detección de tensión (24).

3. Instalación de celdas de combustible (2) conforme a la reivindicación 1 ó 2, en la cual se prevé una pluralidad de pilas de celdas de combustible (4) dispuestas en forma de cascada.

4. Instalación de celdas de combustible (2) conforme a una de las reivindicaciones precedentes, en la cual son utilizadas celdas de combustible PEM (6, 10).

5. Método para operar una instalación de celdas de combustible (2), la cual presenta al menos una pila de celdas de combustible (49), a la cual se suministran gases reactivos (G) por el lado de entrada de gas, y el lado de salida de gas presenta una celda de purga (10) con una válvula de purga (18) agregada, con lo cual, la tensión (U_Zunten) de la celda de purga (10) es medida dentro de la zona de una salida de gas (14) hacia la válvula de purga (18) y, en función de la tensión (U_Zunten) medida, es controlado el accionamiento de la válvula de purga (18).

6. Método conforme a la reivindicación 5, en el cual se prevé una pluralidad de pilas de celdas de combustible (4) dispuestas en forma de cascada, a través de las cuales fluyen en serie los gases reactivos (G).