Rehidratación de pilas de combustible.

Un conjunto de pila de combustible electroquímica (30) que comprende:

un apilamiento de pila de combustible (31) que comprende una serie de pilas de combustible (32)cada una con un conjunto membrana-electrodo y placas de flujo de fluido para suministro decombustible y oxidante al mismo, y una salida eléctrica (33) para suministro de corriente desde elapilamiento;

un regulador de apilamiento (38) adaptado para modular el flujo de aire a través del apilamiento depila de combustible (31) en base periódica independiente de la demanda de corriente en elconjunto de apilamiento de pila de combustible para proporcionar intervalos de rehidratación queaumentan el nivel de hidratación de las pilas de combustible; y

medios adaptados para mantener la demanda de corriente para una carga externa en el conjuntode apilamiento de pila de combustible durante los intervalos de rehidratación.

Rehidratación de pilas de combustible [0001] La presente invención se refiere a pilas de combustible y en particular a pilas de combustible del tipo de membrana de intercambio de protones en las que se suministra hidrógeno al lado del ánodo de la pila de combustible, se suministra oxígeno al lado del cátodo de la pila de combustible y un producto de agua se produce en y se elimina del lado del cátodo de la pila de combustible.

Tales pilas de combustible comprenden una membrana de intercambio de protones (MIP) emparedada entre dos electrodos porosos, comprendiendo todo ello un conjunto membrana-electrodo (CME) . El CME en sí mismo está emparedado convencionalmente entre: (i) una estructura de difusión de cátodo que tiene una primera cara adyacente a la cara de cátodo del CME y (ii) una estructura de difusión de ánodo que tiene una primera cara adyacente a la cara de ánodo del CME. La segunda cara de la estructura de difusión de ánodo contacta una placa de campo de flujo de fluido del ánodo para recogida de corriente y para distribuir hidrógeno a la segunda cara de la estructura de difusión de ánodo. La segunda cara de la estructura de difusión de cátodo contacta una placa de campo de flujo de fluido del cátodo para recogida de corriente, para distribuir oxígeno a la segunda cara de la estructura de difusión de cátodo y para extraer el exceso de agua del CME. Las placas de campo de flujo de fluido de ánodo y cátodo comprenden cada una convencionalmente un material rígido, eléctricamente conductor que tiene canales de flujo de fluido en la superficie adyacente a la respectiva estructura de difusión para suministro de los gases reactivos (por ejemplo, hidrógeno y oxígeno) y eliminación de los gases de escape (por ejemplo, oxígeno no usado y vapor de agua) .

Una consideración importante en el funcionamiento de las pilas de combustible como es la gestión del agua dentro del CME. Durante el funcionamiento de una pila de combustible MIP, el agua producto de la reacción entre hidrógeno y oxígeno se forma en sitios catalíticos del CME. Este agua debe ser agotada del CME a través de la estructura de difusión de cátodo, al mismo tiempo que el oxígeno es transportado a la cara del cátodo del CME. Sin embargo, también es importante que el CME siga estando adecuadamente hidratado para garantizar que la resistencia eléctrica interna de la pila se mantenga dentro de límites tolerables. La falta de control de la humidificación del CME lleva a puntos calientes y al fallo potencial de la pila y / o pobre rendimiento eléctrico de la pila.

Una función clave en la celda de combustible durante la reacción electroquímica entre el hidrógeno y el oxígeno es el proceso de migración de protones a través del MIP. El proceso de intercambio de protones sólo se producirá cuando el MIP en estado sólido esté suficientemente hidratado. Con agua presente insuficiente, las características de arrastre de agua de la membrana restringirán el proceso de migración de protones conduciendo a un aumento de la resistencia interna de la pila. Con la sobresaturación de la MIP hay posibilidad de que el exceso de agua «inunde» la parte del electrodo del CME y restrinja el acceso de gas a la llamada interfaz de reacción de tres fases. Ambos sucesos tienen un efecto negativo en el rendimiento global de la pila de combustible.

Aunque el agua se produce en el cátodo como parte de la reacción de la pila de combustible, es esencial mantener un equilibrio hídrico en todo el CME. Donde se introduce aire seco en la pila hay una tendencia a la creación de una desequilibrada distribución de agua por la membrana de manera que el área alrededor del orificio de entrada está más seco que en otras partes. En última instancia esto podría tensionar mecánicamente la membrana y dar lugar a distribución desigual de corriente, pudiendo ambas cosas provocar un fallo prematuro. Para contrarrestar esto, la práctica actual es pre-humidificar la corriente de aire antes de su suministro a la parte activa de la pila de combustible. Esto suma complejidad al sistema y, a menudo puede ser poco práctico para algunas aplicaciones de pilas de combustible.

En las pilas de combustible de cátodo abierto, las placas de campo de flujo de fluido del cátodo están abiertas al aire ambiente, por lo general mediante una fuente de aire a baja presión, como un ventilador, que ofrece la doble función de refrigeración del apilamiento y suministro de oxígeno. Esto permite diseñar un sistema de pila de combustible muy simple evitando las grandes pérdidas por parásitos (es decir, la fuga de energía eléctrica de los sistemas de soporte de pila de combustible) que normalmente se asocian con un apilamiento de pila de combustible que utiliza un cátodo a presión y un subsistema de humidificación. Sin embargo, el doble propósito del flujo de aire (tanto para suministro de oxígeno como de refrigeración por aire) puede conducir a un conflicto en las necesidades de flujo de aire. Un flujo de aire muy estequiométrico por los electrodos del cátodo es necesario para la refrigeración y, dependiendo de las condiciones ambientales y la temperatura del apìlamiento esto puede dar lugar a un contenido bajo de agua en membrana (resultando en un rendimiento bajo) o en casos extremos, una pérdida continua neta de agua del apilamiento de pila de combustible en el tiempo que finalmente se traducirá en que la pila deja de funcionar. Esto se debe a que para un nivel establecido de salida de energía de la pila (densidad de corriente) se alcanzará un equilibrio entre el contenido de agua de las membranas de polímero de las pila de combustible y la velocidad de eliminación de agua por el flujo de aire. Una corriente más baja, alto flujo de aire y apilamiento más caliente tenderán a reducir el contenido de agua de la membrana y por el contrario una mayor corriente, bajo flujo de aire y apilamiento más frío aumentará el contenido de agua de la membrana.

Es un objeto de la presente invención proporcionarn un mejor diseño de pila de combustible y una mejor estrategia de control para superar o mitigar al menos parte de los inconvenientes anteriores.

Según un aspecto, la presente invención proporciona un conjunto de pila de combustible electroquímica que comprende:

un apilamiento de pilas de combustible que comprende una serie de pilas de combustible cada una teniendo un conjunto membrana-electrodo y placas de flujo de fluido para el suministro de combustible y oxidante, y una salida eléctrica para el suministro de corriente desde el apilamiento, y

un controlador de energía de apilamiento para de forma periódica y temporal aumentar la corriente extraída del apilamiento de pila de combustible, además de o en lugar de la demanda de corriente independiente externa al conjunto de pila de combustible, durante intervalos de rehidratación para aumentar el nivel de hidratación de las pilas de combustible.

Según otro aspecto, la presente invención proporciona un conjunto de pila electroquímica de combustible que comprende:

un apilamiento de pila de combustible que comprende una serie de pilas de combustible cada una teniendo un conjunto membrana-electrodo y placas de flujo de fluido para suministro de combustible y oxidante, y una salida eléctrica para el suministro de corriente desde el apilamiento;

un controlador de apilamiento para modular el flujo de aire a través del apilamiento de pila de combustible en forma periódica independiente de la demanda de corritnte en el conjunto del apilamiento de pila de combustible para proporcionar intervalos de rehidratación que aumenten el nivel de hidratación de las pilas de combustible; y

medios para mantener la demanda de corriente a una carga externa al conjunto de pila de combustible durante los intervalos de rehidratación.

Según otro aspecto, la presente invención proporciona un método de operar un conjunto de pila de combustible electroquímica que tiene un apilamiento de pila de combustible que comprende una serie de pilas de combustible cada una con un conjunto membrana-electrodo y placas de flujo de fluido para suministro de combustible y oxidante al mismo, y una salida eléctrica para suministro de corriente desde el apilamiento, el método comprendiendo las etapas de:

aumentar periódica y temporalmente la corriente extraída del apilamiento de pila de combustible independientemente de la demanda de corriente externa al conjunto de pila de combustible durante intervalos de rehidratación para aumentar el nivel de hidratación de las pilas de combustible; y

mantener la demanda de corriente a una carga externa al conjunto de pila de combustible durante los intervalos de rehidratación.

Según otro aspecto, la presente... [Seguir leyendo]

1. Un conjunto de pila de combustible electroquímica (30) que comprende:

un apilamiento de pila de combustible (31) que comprende una serie de pilas de combustible (32) cada una con un conjunto membrana-electrodo y placas de flujo de fluido para suministro de combustible y oxidante al mismo, y una salida eléctrica (33) para suministro de corriente desde el apilamiento;

un regulador de apilamiento (38) adaptado para modular el flujo de aire a través del apilamiento de pila de combustible (31) en base periódica independiente de la demanda de corriente en el conjunto de apilamiento de pila de combustible para proporcionar intervalos de rehidratación que aumentan el nivel de hidratación de las pilas de combustible; y

medios adaptados para mantener la demanda de corriente para una carga externa en el conjunto de apilamiento de pila de combustible durante los intervalos de rehidratación.

2. El conjunto (30) de la reivindicación 1 en donde el regulador de apilamiento (38) es un regulador de energía de apilamiento que además comprende un dispositivo de carga conmutable (36) , el regulador de energía de apilamiento adaptado para aumentar periódica y temporalmente la corriente extraida del apilamiento de pila de combustible, además de o en lugar de, la demanda de corriente independiente externa al conjunto de pila de combustible, pasando corriente del apilamiento de pila de combustible a través del dispositivo de carga conmutable durante intervalos de rehidratación para aumentar el nivel de hidratación de las células de combustible.

3. El conjunto de la reivindicación 2 que incluye además una fuente de alimentación de reserva (39) , acoplada a terminales externos de salida de energía (35) del conjunto de pila de combustible (30) , en el que el regulador de energía de apilamiento (38) está adaptado para aislar eléctricamente la salida eléctrica (33) del apilamiento de pila de combustible (31) de los terminales externos de salida de energía (35) durante los intervalos de rehidratación.

4. El conjunto de la reivindicación 1 que incluye además una fuente de alimentación de reserva (39) , acoplada a terminales externos de salida de energía (35) del conjunto de pila de combustible (30) , y un dispositivo de control de carga (40) para controlar el suministro de corriente a los terminales externos de salida de energía de uno o ambos de la fuente de alimentación de reserva y el apilamiento de pila de combustible (31) .

5. El conjunto de la reivindicación 3 o reivindicación 4 en el que la fuente de alimentación de reserva (39) es una batería recargable.

6. El conjunto de la reivindicación 1 en la cual el regulador de energía del apilamiento (38) está adaptado para aplicar los intervalos de rehidratación a intervalos regulares.

7. El conjunto de la reivindicación 1 o reivindicación 6 en el que el regulador de energía del apilamiento (38) está adaptado para aplicar los intervalos de rehidratación en respuesta a un parámetro del apilamiento de pila de combustible que está dentro de unos criterios de umbral.

8. El conjunto de la reivindicación 2 en el que el regulador de energía del apilamiento (38) está adaptado para aplicar intervalos de rehidratación que incluyen cada uno un intervalo de corriente alta en el que la corriente extraída del apilamiento de pila de combustible es mayor que la demanda de corriente de funcionamiento normal y un intervalo de aislamiento en el que la corriente extraída de la pila de combustible es menor que la demanda de corriente de funcionamiento normal.

9. El conjunto de la reivindicación 8, en el que el regulador (38) está adaptado para aislar eléctricamente el apilamiento de pila de combustible (31) durante el intervalo de aislamiento.

10. El conjunto de la reivindicación 4, en el que el dispositivo de control de carga (40) está adaptado para suministrar energía en rampa ascendente desde el apilamiento de pila de combustible a los terminales de salida de energía externa (35) tras el intervalo de rehidratación.

11. Un método de operación de un conjunto de pila de combustible electroquímica (30) que tiene un apilamiento de pila de combustible (31) que comprende una serie de pilas de combustible (32) cada una con un conjunto membrana-electrodo y placas de flujo de fluido para suministro de combustible y oxidante al mismo, y una salida eléctrica (33) para suministro de corriente desde el apilamiento, el método comprendiendo las etapas de:

modular el flujo de aire a través del apilamiento de pila de combustible sobre una base periódica independiente de la demanda de corriente en el conjunto de apilamiento de pila de combustible para proporcionar intervalos de rehidratación que aumentan el nivel de hidratación de las pilas de combustible mientras se mantiene la demanda de corriente para una carga (41) externa al conjunto de pila de combustible (30) durante los intervalos de rehidratación.

12. El método de la reivindicación 11 en el que la etapa de mantener la demanda de corriente durante intervalos de rehidratación comprende usar una fuente de alimentación de reserva (39) .

13. El método de la reivindicación 12 que además incluye los pasos de:

aumentar periódica y temporalmente la corriente extraída del apilamiento de pilas de combustible independientemente de la demanda de corriente externa al conjunto de pila de combustible durante intervalos de rehidratación para aumentar el nivel de hidratación de las pilas de combustible pasando corriente del apilamiento de pila de combustible a través de un dispositivo de carga conmutable (36)

dentro del conjunto de pila de combustible; y

mantener la demanda de corriente para una carga (41) externa al conjunto de pila de combustible (30) durante los intervalos de rehidratación.