ES2370126T3 - Rehidratación de células electroquímicas. - Google Patents
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Abstract
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 de membrana-electrodo y placas de flujo de fluido para entrega de combustible y oxidante al mismo, y una salida eléctrica (33) para entrega de corriente desde el apilamiento; y un regulador de energía del apilamiento (38) que comprende un dispositivo de carga conmutable (36), el regulador de energía del apilamiento adaptado para periódica y temporalmente aumentar la corriente extraída del apilamiento de pila de combustible, además o en lugar de la demanda independiente de corriente externa al conjunto de pila de combustible, pasando la 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 pilas de combustible.
Description
Rehidratación de pilas de combustible.
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
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
entrega 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. Esta agua debe ser
agotada de la 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 la fallo potencial de 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 de la 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 la posibilidad de que el exceso de agua
"inundará" la parte del electrodo del CME y restrinja el acceso
de gas a la llamada interfaz de reacción de tres fases. Ambos
eventos 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 para
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 a través de la membrana de tal
manera que el área alrededor del orificio de entrada es 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
entrega 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.
combustible.
En las pilas de combustible de cátodo abierta,
las placas campo de flujo de fluido del cátodo están abiertas al
aire ambiente, por lo general mediante una fuente se aire a baja
presión, como un ventilador, que ofrece la doble función de
refrigeración del apilamiento y suministro de oxígeno. Esto permite
proyectar 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 el
suministro de oxígeno y de refrigeración por aire) puede conducir a
un conflicto en las necesidades de flujo de aire. Un flujo de aire
muy estequiométrico a través de los electrodos del cátodo es
necesario para la refrigeración y, dependiendo de las condiciones
ambientales y la temperatura del apilamiento esto puede dar lugar a
un contenido bajo de agua en membrana (resultando en un rendimiento
bajo) o en casos extremos, una pérdida neta de agua continua del
apilamiento de pila de combustible en el tiempo que a la larga 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 tenderá a reducir el
contenido de agua de la membrana y por el contrario una corriente
mayor, bajo flujo de aire y apilamiento más frío aumentará el
contenido de agua de la membrana.
Es un objeto de la presente invención
proporcionan un mejor diseño de pila de combustible y una mejor
estrategia de control para superar o mitigar al menos parte de los
inconvenientes.
\newpage
La presente invención proporciona un conjunto de
pila de combustible electroquímica que comprende:
un apilamiento de pila de combustible que
comprende un número de pilas de combustible cada uno teniendo un
conjunto de membrana-electrodo y placas de flujo de
fluido para la entrega de combustible y oxidante, y una salida
eléctrica para el suministro de corriente desde el apilamiento, y un
controlador de energía de pila que comprende un dispositivo de carga
conmutable, el controlador de energía de pila adaptado para de forma
periódica y temporalmente aumentar la corriente extraída de la pila
de combustible, además de o en lugar de la demanda de corriente
independiente externa al conjunto de pila de combustible, por el
paso de 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 pilas de
combustible.
\vskip1.000000\baselineskip
También se describe aquí un conjunto de pila de
combustible electroquímica que comprende:
un apilamiento de pila de combustible que
comprende una serie de pilas de combustible cada una teniendo un
conjunto membrana-electrodo y las placas de flujo de
fluido para la entrega de combustible y oxidante, y una salida
eléctrica para el suministro de corriente desde el apilamiento; un
controlador de apilamiento adaptado para modular el flujo de aire a
través del apilamiento de pila de combustible en forma periódica
independiente de la demanda actual 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 adaptados para mantener la demanda de corriente a una carga
externa al conjunto de pila de combustible durante los intervalos de
rehidratación.
\vskip1.000000\baselineskip
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 teniendo un conjunto
membrana-electrodo y placas de flujo de fluido para
la entrega de combustible y oxidante al mismo, y una salida
eléctrica para el suministro de corriente desde el apilamiento, el
método comprendiendo las etapas
de:
de:
aumentar periódica y temporalmente la corriente
extraída del apilamiento de pila de combustible independiente 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 haciendo pasar corriente
desde el 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 a una carga externa
al conjunto de pila de combustible durante los intervalos de
rehidratación.
\vskip1.000000\baselineskip
También se describe en este documento 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 uno teniendo un conjunto
membrana-electrodo y placas de flujo de fluido para
la entrega de combustible y oxidante al mismo, y una salida
eléctrica para suministro de corriente desde el apilamiento, el
método comprendiendo las etapas
de:
de:
modular el flujo de aire a través del
apilamiento de pila de combustible en forma periódica independiente
de la demanda de corriente en el conjunto de apilamiento de pila de
combustible para proporcionar intervalos de rehidratación que
aumenten el nivel de hidratación de las pilas de combustible,
manteniendo la demanda de corriente a una carga externa al conjunto
de pila de combustible durante los intervalos de rehidratación.
\vskip1.000000\baselineskip
Se describe en este documento un conjunto de
pila de combustible en el que uno o más parámetros de
funcionamiento, como el flujo de corriente eléctrica de, y el flujo
de aire a, un apilamiento de pila de combustible dentro del conjunto
es modulado periódicamente durante los intervalos de rehidratación
para aumentar de forma intermitente los niveles de hidratación del
apilamiento de pila de combustible independientemente de una demanda
de corriente eléctrica en el conjunto de pila de combustible desde
una carga externa al conjunto de pila de combustible. Durante el
intervalo de rehidratación, la entrega de corriente eléctrica a la
carga externa se mantiene.
Las realizaciones de la presente invención se
describirán ahora a modo de ejemplo y con referencia a los dibujos
acompañantes en los cuales:
la figura 1 es un gráfico que muestra el
potencial de pila en función del tiempo para funcionamiento
convencional en estado estacionario de una pila de combustible en
comparación con la operación de corriente pulsada de la pila de
combustible para dos diferentes intervalos de repetición de pulso;
la Figura 2 es un gráfico que muestra potencial de la pila
instantáneo y promediado como una función del tiempo para
funcionamiento convencional en estado estacionario de una pila de
combustible en comparación con la operación de corriente
pulsada,
la Figura 3 es un diagrama esquemático de una
pila de combustible de una unidad de energía de pila de combustible
electroquímica para aplicar un esquema operación de corriente
pulsada;
\newpage
la Figura 4 es un gráfico que muestra la tensión
del apilamiento y la corriente del apilamiento en función del
tiempo antes, durante y después de un pulso de hidratación del
apilamiento, y la Figura 5 es un gráfico que muestra la mejora
comparativa del rendimiento de la pila de combustible para la
operación de corriente pulsada en (i) una pila de combustible con
una sola capa difusora de cátodo, y (ii) una pila de combustible
con la difusor multi-capa de cátodo.
\vskip1.000000\baselineskip
La invención propone temporalmente romper el
equilibrio (como sería determinado por las condiciones de
funcionamiento actuales de un apilamiento de pila de combustible) de
contenido de agua en la membrana y la velocidad de extracción de
agua para lograr una mayor eficiencia del apilamiento y del
sistema. El procedimiento consiste en producir agua en exceso en el
cátodo de la pila de combustible por períodos cortos de tiempo y
subsiguientemente operar la pila con un mayor rendimiento mientras
que el equilibrio con un menor contenido de agua es restablecido
poco a poco. El proceso se puede repetir con ciertas frecuencias de
intervalo según las necesidades.
Los cortos períodos de tiempo durante el cual se
produjo el exceso de agua se refieren en la presente especificación
como "intervalos de rehidratación", cuya expresión tiene por
objeto indicar un período de tiempo en el que el conjunto de pila de
combustible controla activamente su entorno operativo para aumentar
intencionalmente los niveles de hidratación por encima de un nivel
que habría de otro modo en base a la carga eléctrica externa sobre
la pila de combustible y sus condiciones ambientales de
funcionamiento como la temperatura. Este proceso de rehidratación
puede ser alcanzado por una o ambas de las siguientes técnicas:
a) operación de la pila de combustible a una
potencia superior a las condiciones de funcionamiento
"normales" según lo determinado por la carga aplicada
externamente al conjunto de pila de combustible, por lo tanto,
produciendo exceso de agua a través de la reacción electroquímica, y
b) modulación o interrupción breve de la cantidad (caudal) de aire a
través de la pila de combustible para reducir al mínimo el proceso
de eliminación de agua.
\vskip1.000000\baselineskip
La principal ventaja de este procedimiento es un
mejor rendimiento durante las condiciones normales de funcionamiento
debido a un mayor voltaje de la pila, lo que da una eficiencia
energética de conversión mejorada. Esto resulta en una menor
temperatura de operación del apilamiento que puede extender la
esperanza de vida de la membrana. Los efectos beneficiosos del
procedimiento de rehidratación descrito aquí son más evidentes
durante la puesta en marcha de un conjunto de pila de combustible.
Este es particularmente el caso para el acondicionamiento de una
pila de combustible de nueva construcción donde el proceso de
rehidratación puede mejorar la respuesta de un apilamiento de pila
de combustible no acondicionada a demandas inmediatas de gran
carga.
Un beneficio secundario es que permite a los
apilamientos de pila de combustible refrigerados por aire (cátodo
abierto) operaren una amplia gama de ambientes, especialmente en
condiciones ambientales más calientes y secas. En un sistema de pila
de combustible que utiliza un apilamiento de cátodo abierto,
convencionalmente la única manera de ajustar el contenido de agua
de la membrana de la pila de combustible es cambiar el flujo del
aire emitido por el ventilador de refrigeración, donde un aumento en
el flujo de aire se traducirá en una menor temperatura del
apilamiento y por el contrario un flujo de aire inferior calentará
el apilamiento. Sin embargo, dependiendo de la humedad del aire
ambiente, cualquiera de estas acciones en realidad puede resultar en
pérdida adicional de agua del apilamiento. La invención propone
integrar un apilamiento de pila de combustible en un sistema con
hardware y un controlador operativo para proveer rehidratación no
directamente dependiente de las condiciones ambientales de operación
y de carga externa a fin de mantener un rendimiento más óptimo.
El efecto de aumentar de forma periódica y
temporal la corriente proveniente de una pila de combustible por
encima de su carga de base a una corriente más alta se muestra en la
figura 1. En este caso, la pila estaba operando a una carga de base
de 320 mA/cm^{2}. La carga de base puede ser considerada como la
que se determina por la demanda externa de corriente en el conjunto
de pila de combustible, junto con cualquier carga parasitaria
continua en el apilamiento de pila de combustible por el propio
conjunto de pila de combustible (es decir, circuitos de control,
ventiladores, etc). La demanda aumentada de corriente periódica y
temporal en el apilamiento de pila de combustible se produjo cuando
pulsos de corriente en los que la corriente del apilamiento se
incrementó a 900 mA/cm^{2} durante un intervalo de rehidratación
de aproximadamente 5 segundos a intervalos de dos y cinco minutos,
respectivamente. La mejora general de la eficiencia se basó en el
poder calorífico inferior (PCI) de H_{2} a 50 grados C y supone
eficiencia cero durante el pulso de rehidratación de 5 segundos a
alta carga.
Una carga base en régimen permanente de 320
mA/cm^{2} resulta en un voltaje de pila de poco más de 0,65 V como
se muestra por la línea 10 en la figura 1 y un PCI de 52.4%. El
voltaje de la pila cuando se opera con intervalos de rehidratación
de 5 segundos de duración cada 2 minutos se da por la línea 11 en la
figura 1. Esto corresponde a un ciclo de trabajo de rehidratación de
alrededor de 4,2% y da un PCI de 57.6%. El voltaje de pila cuando se
opera con intervalos de rehidratación de 5 segundos de duración cada
5 minutos está dado por la línea 12 en la figura 1. Esto corresponde
a un ciclo de trabajo de rehidratación de alrededor de 1,7% y da un
PCI de 57.2%.
La escala del aumento inmediato en la tensión de
pila después de intervalos de rehidratación y la decadencia
siguiente es evidente en la figura 1. La mejora en el rendimiento
dependerá de los factores de retención de agua de la pila de
combustible, en particular las características de la membrana de
polímero y cualquier capa de difusión de gas incorporada con ella,
así como la temperatura y el flujo de aire a través del apilado de
la pila. Los intervalos de hidratación son especialmente eficaces
cuando se utiliza junto con medios de difusión avanzados adyacentes
al CME que colaboran en el control y la retención de los niveles de
agua en la membrana. La invención es por ello particularmente
ventajosa cuando se utiliza junto con estructuras de difusión
multi-capa que ayudan a atrapar el agua, tales como
la disposición para apilamientos de cátodo abierto descrita en la
solicitud de patentes del Reino Unido 0.501.598,7 y la
correspondiente solicitud de patente internacional
PCT/GB2006/000074. La Figura 5 muestra una comparación entre las
mejoras de rendimiento de la pila de combustible observadas en la
operación de corriente pulsada en (i) una pila de combustible con un
difusor de cátodo de una sola capa, y (ii) una pila de combustible
con un difusor de cátodo multi-capa. La línea
superior muestra el voltaje de la pila para la configuración (ii) y
la línea inferior muestra el voltaje de la pila para la
configuración (i). Los pulsos de rehidratación tienen lugar cada
diez minutos.
La figura 2 muestra el efecto sobre el voltaje
de pila en tiempo real y promediado de voltaje de una pila de
combustible con y sin pulsos de corriente de rehidratación. El eje
del voltaje de pila representa el voltaje promedio de la pila en un
apilamiento completo, es decir, el voltaje del apilamiento dividido
por el número de pilas en el apilamiento. La línea recta superior 20
muestra el voltaje medio de la pila de poco más de 0,69 V, y la
línea superior 21 muestra el voltaje instantáneo de pila, ambos
cuando el apilamiento se opera con intervalos de rehidratación. La
línea recta inferior 22 muestra el voltaje medio en el tiempo de la
pila de poco más de 0,65 V, y la línea inferior 23 muestra el
voltaje instantáneo de la pila, ambos cuando el apilamiento funciona
sin intervalos de rehidratación. Cabe señalar que la línea inferior
23 exhibe cierta periodicidad en una frecuencia diferente a la de
la línea superior 21 porque hay, en ambos casos, una purga periódica
del ánodo para eliminar agua que se acumula en una configuración de
ánodo de extremo cerrado, y ésta domina la línea inferior 23.
Periódicamente, el ánodo de extremo cerrado se conmuta a
configuración de extremo abierto para purgar agua del ánodo durante
aproximadamente 1 segundo. Sin embargo, los efectos de los
intervalos de rehidratación son muy claros a partir del
significativo aumento en los voltajes medio e instantáneo 20, 21
respecto a voltajes equivalentes 22, 23 sin intervalos de
rehidratación.
Utilizar el efecto de los intervalos de
rehidratación en un sistema de pila de combustible requiere un
sistema de control adicional como se describe en relación con la
figura 3.
Un conjunto de pila de combustible
electroquímica 30 comprende un apilamiento de pila de combustible 31
que tiene una serie de pilas de combustible 32 conectadas en serie.
Cada pila de combustible 32 incluye un conjunto de
membrana-electrodo y las placas flujo de fluido para
la entrega de combustible y oxidante al mismo, de conformidad con un
diseño convencional de apilamiento de pila de combustible. Una
salida eléctrica 33 provee la entrega de corriente eléctrica desde
el apilamiento 31. Un sistema de enfriamiento 34, como un
ventilador, proporciona tanto flujo de aire de refrigeración como
oxígeno a las placas de flujo. La energía desde el conjunto de pila
de combustible 30 se entrega a una carga externa 41 por terminales
de salida externa de energía 35 a través de relés 42 y 43.
Una carga eléctrica interna 36 es conmutable por
el conmutador 37 bajo el control de un regulador de energía 38, para
de forma periódica y temporal aumentar la corriente extraída del
apilamiento de pila de combustible 31. Una fuente de energía
auxiliar o "depósito" 39 está conectada a los terminales de
salida 35, a través del relé 43, para suministrar energía a los
terminales de salida de potencia 35 en momentos en que el
apilamiento de pila de combustible 31 se conmuta para alimentar la
carga interna 36. El circuito de control de carga 40 y el sistema de
enfriamiento 34 también pueden estar bajo el control del regulador
de energía 38. La fuente de alimentación de reserva 39 es
preferentemente una batería recargable, pero cualquier otra forma
de dispositivo de almacenamiento de carga adecuado se puede
utilizar, como supercondensadores. El circuito de control de carga
40 es preferiblemente un convertidor CC/CC.
En uso, el apilamiento de pila de combustible 31
está normalmente conmutado para suministrar la carga externa 41, y
la carga interna 36 y la fuente de alimentación de reserva 39 están
aisladas eléctricamente del apilamiento de pila de combustible 31 y
de los terminales de salida de energía 35.
Sin embargo, durante los intervalos de
rehidratación, el regulador de energía 38 abre el relé 42 y opera
el conmutador37 de modo que la fuente de alimentación depósito39
está aislada del apilamiento de pila de combustible 31 y la
corriente desde el apilamiento de pila de combustible 31 se desvía
a la carga interna 36. Para evitar interrupción de energía a la
carga externa 41, al mismo tiempo, el regulador de la energía 38
mantiene el relé 43 en una condición cerrada para mantener la
continuidad eléctrica entre la fuente de alimentación
"depósito" 39 y los terminales de salida de potencia 35
suministrando así la carga externa 41. Al final de un intervalo de
rehidratación, el controlador 38 acciona el interruptor 37 y el relé
42 para aislar la carga interna 36 del apilamiento de pila de
combustible 31 y volver a conectar la pila de combustible a los
terminales de salida 41. En este momento, la fuente de alimentación
de reserva 39 preferentemente permanece conectada para que pueda ser
recargada por corriente del apilamiento de pila de combustible 31.
Después de un período de carga adecuado, el circuito de control de
carga de 40 puede operar para aislar la fuente de alimentación
depósito 39 usando un tercer relé 44. Alternativamente, la fuente de
alimentación depósito 39 podría simplemente permanecer conectada en
todo momento.
Por lo tanto, se entenderá que el apilamiento de
pila de combustible 31 es la fuente principal de energía, pero
durante el intervalo de rehidratación, la batería 39 es el único
proveedor de energía a la carga externa 41. Cuando el apilamiento de
pila de combustible 31 vuelve a estar en línea, es capaz de recargar
completamente la batería 39 y a medida que la batería se acerca al
estado de plena carga actual la corriente hacia ella disminuirá.
Varias modificaciones se pueden hacer a esta
disposición. Por ejemplo, el conmutador 37 no tiene por qué ser de
la variedad bipolar si no es necesario aislar el apilamiento de pila
de combustible 31 y la carga interna 36 de la carga externa 41
durante el intervalo de rehidratación. En otras palabras, siempre
que la potencia necesaria puede todavía ser entregada a la carga
externa 41 durante un intervalo de rehidratación, en principio la
carga interna 36 se puede simplemente agregar a la carga externa 41
en paralelo durante el intervalo de rehidratación. En este caso, una
fuente de alimentación depósito 39 podría no ser estrictamente
necesaria ya que la corriente se mantiene desde el apilamiento de
pila de combustible 31 a la carga externa 41, incluso durante el
intervalo de rehidratación. Del mismo modo, los terminales de salida
de potencia 35 podría estar directamente conectados con el
apilamiento de pila de combustible 31; la carga interna 36 conmutada
y no conmutada en un primer circuito paralelo según se requiera, y
la fuente de alimentación depósito conmutada y no conmutada con
control de carga en un segundo circuito paralelo, según sea
necesario.
Así, en un aspecto general, se reconocerá que el
regulador de la energía del apilamiento 38 puede utilizar la carga
interna 36 para periódica y temporalmente aumentar la corriente
extraída de la pila de combustible. Además o en lugar de la demanda
de corriente independiente externa a la pila de combustible asamblea
durante los intervalos de rehidratación. Si es necesario un
dispositivo de control de energía se podría utilizar para conmutar a
la carga interna 36 en una forma controlada para evitar grandes
transitorios de conmutación.
Los intervalos de rehidratación también pueden
ser implementados usando una reducción temporal y periódica en el
flujo de aire a los cátodos del apilamiento de pila de combustible
31. Así el regulador de energía 38 puede ser configurado para
reducir potencia al ventilador de refrigeración 34 durante un
intervalo de rehidratación. Preferiblemente, el ventilador de
refrigeración se apaga durante el intervalo de rehidratación.
Así, en un aspecto general, el regulador de
energía del apilamiento 38 puede modular el flujo de aire a través
del apilamiento de pila de combustible 31 en una base periódica
independiente de la demanda de corriente eléctrica en el apilamiento
de pila de combustible para proporcionar intervalos de
rehidratación que aumentan el nivel de hidratación de las pilas de
combustible. La expresión "independiente" en este contexto
tiene por objeto indicar independencia de cambios inmediatos o
transitorios en la carga eléctrica externa 41 en el conjunto de pila
de combustible 30.
Tanto la modulación del flujo de aire como la
carga aumentada pueden ser utilizadas para los fines de aplicación
de intervalos de rehidratación. El gráfico de la figura 4 ilustra
los perfiles de voltaje y corriente para esta operación. La línea
superior 50representa voltaje del apilamiento en función del tiempo,
y la línea inferior 51 representa la corriente del apilamiento en
función del tiempo.
Durante el período de tiempo 52 (t = 0 a 6
segundos), se ilustra el funcionamiento normal de la pila de
combustible. Durante el siguiente período de tiempo 53 (t = 6 - 10
segundos), los ventiladores de refrigeración 34 que proporcionan el
flujo de aire del cátodo se apagan provocando un aumento de la
temperatura del apilamiento. Hacia el final de este período de
tiempo, se observa una pequeña reducción en el voltaje de la pila,
con un correspondiente pequeño aumento en la corriente para mantener
potencia constante, debido alas limitaciones de transporte masivo.
En el punto donde el voltaje de entrada al convertidor CC/CC 40 se
aproxima al de la tensión en bornes de la batería 39, la corriente
de la pila de combustible se reduce a cero. En este caso, la entrega
de potencia a los terminales de salida 35 se suplementará por la
batería 39.
La salida desde el apilamiento de pila de
combustible 31 es entonces aislada abriendo el relé 42 con carga
electrónica mínima saliendo de la batería 39 para proporcionar la
alimentación continua a la aplicación (por ejemplo, carga externa
41), evidenciado por la caída a cero de la corriente en el período
de tiempo 54 (t \sim 10 a 11 segundos). En el tiempo t = 11
segundos, la resistencia de carga interna 36 se conecta a través de
los terminales 33 del apilamiento de pila de combustible 31, como lo
demuestra el pico 55. Esta carga eléctricamente el apilamiento de
pila de combustible 31 adicionalmente por un periodo de tiempo
controlado, en concreto un intervalo de corriente alta 56 (t \sim
11 -12 segundos).
Durante este intervalo de corriente alta 56, el
oxidante restante dentro de los canales de flujo de fluido del
apilamiento de pila de combustible 31 es consumido y la tensión en
los terminales del apilamiento baja a 0 V. Sin los ventiladores 34
extrayendo el producto agua, el exceso de agua se mantiene en el
CME/interfaz la capa de difusión de gas de cada pila 31. Después
del intervalo de corriente alta 56, el apilamiento de pila de
combustible 31 está aislado de toda carga eléctrica durante el
intervalo de aislamiento 57 (t = 12 a 16 segundos). Durante este
intervalo de aislamiento, el flujo de corriente es cero y el voltaje
del apilamiento 50 se recupera a un máximo en el punto 58 (t = 16
segundos). Durante un intervalo de tiempo de reconexión 59 \sim 16
- 18 segundos), la energía del apilamiento 31 se pone nuevamente en
línea de una manera controlada con el control digital en el
convertidor CC/CC 40 para aumentar gradualmente el valor de ajuste
del límite de corriente. En el punto 60, la pila de combustible está
totalmente en línea y comienza a recargar la batería 39 (en t = 18
segundos). La pila de combustible recarga la batería, así como
suministra energía a la carga externa 41 durante el siguiente
período de tiempo 61. La corriente cae gradualmente a medida que la
batería 39 se aproxima al estado de carga completo.
Después de un intervalo de tiempo adecuado, por
ejemplo: entre 2 y 5 minutos, se inicia la operación de
rehidratación siguiente (no se muestra en la figura 4). Se puede
utilizar cualquier intervalo de tiempo conveniente que sea eficaz
para proporcionar un aumento medio útil de la tensión de la pila.
Dependiendo de las condiciones ambientales, tales como la
temperatura y la humedad, y de si la pila de combustible funciona
bajo una carga constante fija o variable, el intervalo de tiempo
puede ser tan corto como 1 minuto o hasta 2 horas, por ejemplo.
La frecuencia óptima de las operaciones de
rehidratación puede depender de una serie de factores, incluyendo
condiciones atmosféricas tales como temperatura y humedad. Cuando un
capa multi-capa de difusión de gas del cátodo se
utiliza, puede haber un aumento significativamente mayor en el
rendimiento electroquímico y un período más largo de tiempo para que
el rendimiento de la pila de combustible vuelva a un nivel
equilibrado en comparación con un régimen de difusión de gas de una
sola capa. Este es también el caso para el uso de la técnica con
apilamiento de cátodo abierto frente a cátodos convencionales
presurizados donde, en este último caso, el encauzamiento forzado
del flujo de aire elimina rápidamente el exceso de agua.
Preferentemente, las operaciones de
rehidratación se aplican automáticamente en forma periódica fija.
Sin embargo, se entenderá que un algoritmo de control adicional
puede ser usado para conmutar el conjunto de pila de combustible 30
entre un modo normal en el que no se llevarán a cabo las operaciones
de rehidratación, y un modo de rehidratación en el que se llevan a
cabo las operaciones temporales y periódicas de rehidratación. La
periodicidad de las operaciones de rehidratación puede ser
controlada de acuerdo con algunos parámetros medibles de
funcionamiento del apilamiento, tales como la temperatura promedio,
humedad, perfil de tensión, perfil de corriente y la demanda de
energía, etc. El ciclo de trabajo de los intervalos de rehidratación
puede ser controlado de acuerdo con algunos parámetros de
funcionamiento mensurables del apilamiento tales como temperatura
media, la humedad, el perfil de tensión, perfil de corriente y la
demanda de energía, etc. Preferiblemente, corriente cero se extrae
en el intervalo de aislamiento 57, pero se entiende que se puede
extraer una corriente baja. En algunas realizaciones, el intervalo
de aislamiento podría no ser necesario.
Otras realizaciones están intencionalmente en el
ámbito de las reivindicaciones acompañantes.
Claims (12)
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 de membrana-electrodo y placas de flujo de
fluido para entrega de combustible y oxidante al mismo, y una
salida eléctrica (33) para entrega de corriente desde el
apilamiento; y un regulador de energía del apilamiento (38) que
comprende un dispositivo de carga conmutable (36), el regulador de
energía del apilamiento adaptado para periódica y temporalmente
aumentar la corriente extraída del apilamiento de pila de
combustible, además o en lugar de la demanda independiente de
corriente externa al conjunto de pila de combustible, pasando la
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 pilas de
combustible.
\vskip1.000000\baselineskip
2. 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), en el que el regulador de energía del
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.
3. 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).
4. El conjunto de la reivindicación 2 o
reivindicación 3 en el que la fuente de alimentación de reserva (39)
es una batería recargable.
5. 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.
6. El conjunto de la reivindicación 1 o
reivindicación 5 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 un criterio umbral.
7. El conjunto de la reivindicación 1 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.
8. El conjunto de la reivindicación 1, en el
cual el regulador (38) está adaptado para aislar eléctricamente el
apilamiento de pila de combustible (31) durante el intervalo de
aislamiento.
9. El conjunto de la reivindicación 3 en el cual
el dispositivo de control de carga (40) está adaptado para
suministrar en rampa ascendente energía desde el apilamiento de pila
de combustible a los terminales de salida de energía externa (35)
tras el intervalo de rehidratación.
10. El conjunto de la reivindicación 1 en la
cual el regulador del apilamiento está adaptado para modular flujo
de aire a través de las placas de flujo de fluido del apilamiento de
pila de combustible (31) durante 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 de
membrana-electrodo y placas de flujo de fluido para
entrega de combustible y oxidante al mismo, y una salida eléctrica
(33) para entrega 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 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 a una carga (41) externa al
conjunto de pila de combustible (30) durante los intervalos de
rehidratación.
\vskip1.000000\baselineskip
12. El método de la reivindicación 11 en el cual
la etapa de mantener la demanda de corriente durante intervalos de
rehidratación comprende usar una fuente de alimentación de reserva
(39).
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