BRPI0708440A2 - conjunto de célula de combustìvel eletroquìmica, método de operação de um conjunto de célula de combustìvel eletroquìmica, e, aparelho - Google Patents
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Abstract
CONJUNTO DE CéLULA DE COMBUSTìVEL ELETROQUìMICA, METODO DE OPERAçãO DE UM CONJUNTO DE CéLULA DE COMBUSTìVEL ELETROQUìMICA, E, APARELHO. Um ou mais parâmetros de operação, tais como fluxo de corrente elétrica a partir de e fluxo de ar para, uma pilha de células de combustível dentro de um conjunto de células de combustível, são periodicamente modulados durante intervalos de rehidratação para intermitentemente aumentar níveis de hidratação da pilha de células de combustível independentemente da demanda de corrente elétrica sobre o conjunto de célula de combustível a partir de uma carga externa, enquanto mantém fornecimento de corrente elétrica para aquela carga externa.
Description
"CONJUNTO DE CÉLULA DE COMBUSTÍVEL ELETROQUÍMICA,MÉTODO DE OPERAÇÃO DE UM CONJUNTO DE CÉLULA DECOMBUSTÍVEL ELETROQUÍMICA, E, APARELHO"
A presente invenção refere-se a células de combustível e emparticular a células de combustível do tipo de membrana de troca de prótonsem que hidrogênio é suprido ao lado de anodo da célula de combustível,oxigênio é suprido ao lado de catodo da célula de combustível e subprodutode água é produzido em e removido do lado de catodo da célula decombustível.
Tais células de combustível compreendem uma membrana detroca de prótons (PEM) ensanduichada entre dois eletrodos porosos,conjuntamente compreendendo um conjunto de membrana-eletrodo (MEA).
O MEA propriamente dito é convencionalmente ensanduichado entre: (i) umaestrutura de difusão de catodo tendo uma primeira face adjacente à face decatodo do MEA e (ii) uma estrutura de difusão de anodo tendo uma primeiraface adjacente à face de anodo do MEA. A segunda face da estrutura dedifusão de anodo contata uma placa de campo de fluxo de fluido de anodopara coleta de corrente e para distribuir hidrogênio para a segunda face daestrutura de difusão de anodo. A segunda face da estrutura de difusão decatodo contata uma placa de campo de corrente de fluido de catodo paracoleta de corrente, para distribuir oxigênio para a segunda face da estrutura dedifusão de catodo, e para extrair água em excesso a partir do MEA. As placasde campo de fluxo de fluido de anodo e catodo convencionalmentecompreendem, cada, um rígido material condutor de eletricidade tendo canaisde fluxo de fluido na superfície adjacente à respectiva estrutura de difusãopara fornecimento dos gases reagentes (por exemplo, hidrogênio e oxigênio) eremoção dos gases de exaustão (por exemplo, oxigênio não usado e vapord'água).
Uma consideração importante na operação de tais células decombustível é a gestão de água dentro do MEA. Durante a operação de umacélula de combustível de PEM, água de produto da reação entre hidrogênio eoxigênio é formada em locais catalíticos do MEA. Esta água tem que serextraída do MEA através da estrutura de difusão de catodo ao mesmo tempoem que oxigênio é transportado para a face de catodo do MEA. Todavia, étambém importante que o MEA permaneça apropriadamente hidratado paraassegurar que a resistência elétrica interna da célula permaneça dentro delimites toleráveis. A falha em controlar a umidificação do MEA conduz apontos quentes e falha da célula em potencial e/ou deficiente desempenho dacélula.
Uma função-chave durante a ração eletroquímica de célula decombustível entre hidrogênio e oxigênio é o processo de migração de prótonsatravés da PEM. O processo de troca de prótons somente ocorrerá quando oPEM de estado sólido estiver suficientemente hidratado. Com insuficienteágua presente, as características de arraste de água da membrana restringirãoo processo de migração de prótons, conduzindo a um aumento na resistênciainterna da célula. Com supersaturação da PEM existe a possibilidade de queágua em excesso irá "inundar" a parte de eletrodo do MEA e restringir oacesso de gás à assim chamada interface de reação de três fases. Ambos esteseventos têm um efeito negativo sobre o desempenho total da célula decombustível.
Embora água seja produzida no catodo como parte da reaçãoda célula de combustível, é essencial manter um equilíbrio de água através detodo o MEA. Onde ar seco é introduzido na célula existe uma tendência dacriação de uma distribuição de água desequilibrada através da membrana, demodo que a área ao redor da porta de entrada é mais seca que em qualqueroutro local. Finalmente, isto poderia estressar mecanicamente a membrana econduzir à distribuição desuniforme de corrente, ambos dos quais pode levar àfalha prematura. Para reagir contra isto, a prática existente é pré-umidificar acorrente de ar antes de seu fornecimento para a parte ativa da célula decombustível. Isto acrescenta complexidade ao sistema e pode, comfreqüência, ser impraticável para algumas aplicações de célula decombustível.
Em células de combustível de catodo aberto, as placas decampo de fluxo de fluido de catodo são abertas para o ar ambiente,usualmente assistidas por meio de uma fonte de ar de baixa pressão, tal comoum ventilador, o qual provê a função dupla de resfriamento de pilha esuprimento de oxigênio. Isto permite que um sistema de célula de combustívelmuito simples seja projetado, evitando as grandes perdas parasíticas (isto é, odreno de energia elétrica dos sistemas de suporte de célula de combustível)que normalmente seriam associadas a uma pilha de célula de combustível queutiliza um catodo pressurizado e um subsistema de umidificação. Todavia, afinalidade dupla do fluxo de ar (tanto para fornecimento de oxigênio quantoresfriamento a ar) pode conduzir a um conflito em exigências de fluxo de ar.
Um fluxo de ar estequiometricamente muito alto através dos eletrodos decatodo é requerido para resfriamento e, dependendo das condições ambientaise da temperatura de pilha, isto pode resultar em um teor de água muito baixoda membrana (resultando em baixo desempenho) ou, em casos extremos, umacontínua perda líquida de água a partir da pilha de células de combustível aolongo do tempo, a qual eventualmente resultará em a pilha cessar defuncionar. Isto é porque para um nível ajustado de saída de energia da pilha(densidade de corrente), um equilíbrio será atingido entre o teor de água dasmembranas de polímero de célula de combustível e a taxa de água removidapelo fluxo de ar. Uma corrente mais baixa, alto fluxo de ar e pilha maisquente tenderão a reduzir o teor de água da membrana e, inversamente, umacorrente mais alta menor fluxo de ar e pilha mais fria, aumentarão o teor deágua da membrana.
É um objetivo da presente invenção prover um aperfeiçoadoprojeto de célula de combustível e estratégia de controle para superar ou pelomenos mitigar pelo menos algumas das desvantagens acima.
De acordo com um aspecto, a presente invenção provê umconjunto de célula de combustível eletroquímica compreendendo:
uma pilha de células de combustível compreendendo umnúmero de células de combustível, cada tendo um conjunto de membrana-eletrodo e placas de fluxo de fluido para fornecimento de combustível eoxidante ao mesmo, e uma saída elétrica para fornecimento de corrente apartir da pilha; e
um controlador de energia de pilha para periodicamente etemporariamente aumentar a corrente puxada a partir da pilha de células decombustível, em adição a ou em lugar de independente demanda de correnteexterna ao conjunto de células de combustível, durante intervalos derehidratação para aumentar o nível de hidratação das células de combustível.
De acordo com outro aspecto, a presente invenção provê umconjunto de célula de combustível eletroquímica compreendendo:
uma pilha de células de combustível compreendendo umnúmero de células de combustível, cada tendo um conjunto de membrana-eletrodo e placas de fluxo de fluido para fornecimento de combustível eoxidante ao mesmo, e uma saída elétrica para fornecimento de corrente apartir da pilha;
um controlador de pilha para modular fluxo de ar através dapilha de células de combustível em uma base periódica, independente dademanda de corrente sobre o conjunto de pilha de células de combustível paraprover intervalos de rehidratação que aumentam o nível de hidratação dascélulas de combustível; e
meios para manter a demanda de corrente em uma cargaexterna ao conjunto de células de combustível durante os intervalos derehidratação.De acordo com outro aspecto, a presente invenção provê ummétodo de operação de um conjunto de célula de combustível eletroquímicatendo uma pilha de células de combustível compreendendo um número decélulas de combustível, cada tendo um conjunto de membrana-eletrodo eplacas de fluxo de fluido para fornecimento de combustível e oxidante aomesmo, e uma saída elétrica para fornecimento de corrente a partir da pilha, ométodo compreendendo as etapas de:
periodicamente e temporariamente aumentar a corrente puxadaa partir da pilha de células de combustível independente da demanda decorrente externa para o conjunto de célula de combustível durante intervalosde rehidratação para aumentar o nível de hidratação das células decombustível; e
manter a demanda de corrente em uma carga externa aoconjunto de células de combustível durante os intervalos de rehidratação.
De acordo com outro aspecto, a presente invenção provê ummétodo de operação de um conjunto de célula de combustível eletroquímicatendo uma pilha de células de combustível compreendendo um número decélulas de combustível, cada tendo um conjunto de membrana-eletrodo eplacas de fluxo de fluido para fornecimento de combustível e oxidante aomesmo, e uma saída elétrica para fornecimento de corrente a partir da pilha, ométodo compreendendo as etapas de:
modular fluxo de ar através da pilha de células de combustívelem uma base periódica, independente da demanda de corrente sobre oconjunto de pilha de células de combustível para prover intervalos derehidratação que aumentam o nível de hidratação das células de combustívelenquanto mantém a demanda de corrente em uma carga externa ao conjuntode células de combustível durante os intervalos de rehidratação.
Em um aspecto geral, a invenção provê um conjunto de célulade combustível em que um ou mais parâmetros de operação, tais como fluxode corrente elétrica de, e fluxo de ar para, uma pilha de células de combustíveldentro do conjunto são periodicamente modulados durante intervalos derehidratação para intermitentemente aumentar níveis de hidratação da pilha decélulas de combustível independentemente de uma demanda de correnteelétrica sobre o conjunto de célula de combustível a partir de uma cargaexterna para o conjunto de células de combustível. Durante o intervalo derehidratação, o fornecimento de corrente elétrica para a carga externa émantido.
Formas de realização da presente invenção serão agoradescritas, a título de exemplo, e com referência aos desenhos acompanhantes,nos quais:
a figura 1 é um gráfico mostrando potencial de célula comouma função de tempo para convencional operação de estado estável da célulade combustível em comparação com operação da célula ue combustível comcorrente pulsada para dois diferentes intervalos de repetição de pulso;
a figura 2 é um gráfico mostrando potencial de célulainstantâneo e médio como uma função de tempo para convencional operaçãode estado estável da célula de combustível em comparação com operação decorrente pulsada;
a figura 3 é um diagrama esquemático de uma unidade deenergia de célula de combustível eletroquímica para implementar umesquema de operação de corrente pulsada;
a figura 4 é um gráfico mostrando tensão de pilha e corrente depilha como uma função de tempo antes, durante e depois de um pulso dehidratação de pilha; e
a figura 5 é um gráfico mostrando a melhoria comparativa nodesempenho de célula de combustível para a operação de corrente pulsada em(i) uma célula de combustível difusor de catodo de camada única, e (ii) acélula de combustível com difusor de catodo multicamada.A invenção propõe temporariamente romper o equilíbrio(como seria determinado por meio de condições de operação existentes deuma pilha de células de combustível) de teor de água de membrana e taxa deremoção de água para atingir uma mais alta eficiência de pilha e sistema. Oprocedimento envolve produzir água em excesso no catodo de célula decombustível por curtos períodos de tempo e subseqüentemente operar a pilhacom um desempenho mais alto enquanto o equilíbrio com um teor de águamais baixo é gradualmente restabelecido. O processo pode ser repetido emcertas freqüências de intervalo, quando requerido.
Os curtos períodos de tempo durante os quais água em excessoé produzida são referidos nesta descrição como 'intervalos de rehidratação1,expressão esta que é destinada a indicar um período de tempo em que oconjunto de célula de combustível ativamente controla seu ambiente deoperação para visadamente aumentar níveis de hidratação acima do nível quede outra maneira prevaleceria com base na carga elétrica externa sobre acélula de combustível e suas condições ambientais de operação, tais comotemperatura. Este processo de rehidratação pode ser atingido por meio de umaou ambas das seguintes técnicas:
a) Operação da célula de combustível em uma saída de energiamais alta que nas condições de operação "normais", quando determinadaspela carga externamente aplicada sobre o conjunto de células de combustível,produzindo assim água em excesso via a reação eletroquímica, e
b) Modulação ou breve interrupção da quantidade (taxa defluxo) de ar através da célula de combustível para minimizar o processo deremoção de água.
O benefício principal deste procedimento é um desempenhoaperfeiçoado ou melhorado durante as condições de operação normais devidoa uma mais alta tensão de célula, proporcionado melhor eficiência deconversão de energia. Isto resulta em uma mais baixa temperatura deoperação de pilha que pode prolongar a expectativa de vida útil da membrana.Os efeitos benéficos do procedimento de rehidratação, aqui descrito, é maisevidente durante o início de operação de um conjunto de célula decombustível. Este é particularmente o caso para condicionamento de umanova célula de combustível integrada, onde o processo de rehidratação podemelhorar a resposta de uma pilha de células de combustível não condicionadaaté demandas de carga imediatamente maior.
Um segundo benefício é o de permitir que pilhas de célula decombustível (de catodo aberto), resfriada a ar, operem em uma faixa maisampla de ambientes, especialmente condições ambientais mais quentes e maissecos. Em um sistema de célula de combustível utilizando uma pilha decatodo aberta, convencionalmente a única maneira de ajustar o teor de águada membrana de célula de combustível é alterar o fluxo de ar fornecido peloventilador de resfriamento, onde um aumento em fluxo de ar irá resultar emuma menor temperatura de pila e, inversamente, um menor fluxo de ar iráaquecer a pilha. Todavia, dependendo da umidade de ar ambiente, qualqueruma destas ações pode atualmente resultar em outra perda de água a partir dapilha. A invenção propõe integrar uma pilha de células de combustível em umsistema com hardware e um controlador operacional para prover arehidratação não diretamente dependente do ambiente de operação e decondições de carga externa de modo a manter um desempenho mais ótimo.
O efeito de periodicamente e temporariamente aumentar acorrente puxada das células de combustível acima de sua carga de base parauma corrente mais alta está mostrado na figura 1. Aqui, a pilha estavaoperando em uma carga de base de 320 mA/cm2. A carga de base pode serconsiderada como aquela que é determinada por meio da demanda externa decorrente sobre o conjunto de células de combustível, conjuntamente comqualquer carga parasítica contínua sobre a pilha de células de combustível pormeio do conjunto de célula de combustível propriamente dito (isto é, circuitosde controle, ventiladores, etc.). A demanda de corrente periodicamente etemporariamente aumentada sobre a pilha de células de combustível ocorreucomo pulsos de corrente em que a corrente de pilha foi aumentada para 900mA/cm2 por um intervalo de rehidratação da aproximadamente 5 segundos aintervalos de dois e cinco minutos, respectivamente. A melhoria total foibaseada no menor valor de aquecimento (LHV) de H2 a 50 graus C e assumeeficiência zero durante o pulso de rehidratação de 5 segundos em elevadacarga.
Uma carga de base de estado estável de 320 mA/cm resultaem uma tensão de carga de pouco acima de 0,65 V, como mostrado por meiode linha 10 na figura 1 e um LHV de 52,4%. A tensão de célula quandooperada com intervalos de rehidratação de 5 segundos de duração a cada 2minutos é dada por meio da linha 11 na figura 1. Isto corresponde a um ciclode operação de aproximadamente 4,2% e fornece um LHV de 57,6%. Atensão de célula quando operada com intervalos de rehidratação de 5segundos de duração a cada 5 minutos é gerem por meio de linha 12 na figura1. Isto corresponde a um ciclo de operação de rehidratação deaproximadamente 1,7% e fornece um LHV de 57,2%.
A escala do aumento imediato em tensão de célula depois dosintervalos de rehidratação e da subseqüente queda é clara na figura 1. Amelhoria em desempenho dependerá dos fatores de retenção de água da célulade combustível, em particular das características da membrana de polímero ede quaisquer camadas de difusão de gás incorporadas aqui, bem como datemperatura e fluxo de ar através da pilha de célula. Os intervalos dehidratação são especialmente eficazes quando usados em conjunção comavançados meios de difusão, adjacentes ao MEA, os quais assistem nocontrole e retenção de níveis de água na membrana. A invenção é, porconseguinte, particularmente vantajosa quando usada em conjunção comestruturas de difusão multicamadas que assistem no aprisionamento de água,tal como o arranjo para pilhas de catodo aberto, descrito no pedido de patentebritânico UK 0501598.7 e o correspondente pedido de patente internacionalPCT/GB2006/000074. A figura 5 mostra uma comparação entre as melhoriasno desempenho de célula de combustível, observados para a corrente deoperação pulsada em (i) da célula de combustível com um difusor de catodode camada única, e (ii) a célula de combustível com um difusor de catodomulticamada. O traço superior mostra a tensão de célula para configuração (ii)e traço inferior mostra a tensão de célula para configuração (i). Os pulsos derehidratação ocorrem a cada dez minutos.
A figura 2 ilustra o efeito em tempo real e tensão de cargamédia da célula de combustível com e sem pulsos de corrente de rehidratação.O eixo de tensão de célula representa a tensão de carga média através de todaa pilha, isto é, a tensão de pilha dividida pelo número de células na pilha. Alinha reta superior 20 mostra a tensão de carga, tornada média pelo tempo, delogo acima de 0,69 V, e o traço superior 21 mostra a tensão de cargainstantânea, ambas quando a pilha é operada com intervalos de rehidratação.A linha reta inferior 22 mostra a tensão de carga média pelo tempo logo acimade 0,65 V, e o traço inferior 23 mostra a tensão de carga instantânea, ambasquando a pilha é operada sem intervalos de rehidratação. Deve ser notado queo traço inferior 23 exibe alguma periodicidade em uma freqüência diferenteque aquela do traço superior 21 porque existe, em ambos os casos, uma purgade anodo periódica para remover água formada em uma configuração deanodo de outra maneira de extremidade aberta, e isto domina o traço inferior23. Periodicamente, o anodo de extremidade fechada é comutado para aconfiguração de extremidade aberta para purgar água a partir do anodo poraproximadamente 1 segundo. Todavia, os efeitos dos intervalos derehidratação são muito claros a partir do significante aumento em média etensões instantâneas 20, 21 sobre as tensões equivalentes 22, 23 semintervalos de rehidratação.Para usar o efeito de intervalos de rehidratação sobre umsistema de célula de combustível é requerido um sistema de controleadicional, como descrito em conexão com a figura 3.
Um conjunto de célula de combustível eletroquímica 30compreende uma pilha de células de combustível 31 tendo um número decélulas de combustível 32 conectadas em série. Cada célula de combustível 32inclui um conjunto de membrana-eletrodo e placas de fluxo de fluido parafornecimento de combustível e oxidante ao mesmo, de acordo com o projetoconvencional pilhas de células de combustível. Uma saída elétrica 33 provê ofornecimento de corrente elétrica a partir da pilha 31. Um sistema deresfriamento 34, tal como um ventilador, provê tanto fluxo de resfriamento aar quanto oxigênio para as placas de fluxo. Energia a partir do conjunto decélula de combustível 30 é fornecida para uma carga externa 41 por meio determinais de saída de energia externos 35 via relês 42 e 43.
Uma carga elétrica interna 36 pode ser comutada, por meio dachave 37 sob o controle de um controlador de energia 38, para periodicamentee temporariamente aumentar a corrente puxada a partir da pilha de células decombustível 31. Uma fonte de energia auxiliar ou "reservatório" 39 éconectada com os terminais de saída 35, através do relê 43, para fornecerenergia para os terminais de saída de energia 35 em momentos quando a pilhade células de combustível 3.1 é comutada para suprir a carga interna 36. Ocircuito de controle de carga 40 e sistema de resfriamento 34 pode tambémestar sob o controle do controlador de energia 38. A fonte de energia dereservatório 39 é preferivelmente uma bateria recarregável, mas qualqueroutra forma de apropriado dispositivo de armazenagem de carga pode serusada, tal como supercapacitores. O circuito de controle de carga 40 épreferivelmente a DC/DC converter.
Em uso, a pilha de células de combustível 31 é normalmentecomutada para suprir a carga externa 41, e a carga interna 36 e fonte deenergia de reservatório 39 são ambas eletricamente isoladas a partir da pilhade células de combustível 31 e dos terminais de saída de energia 35.
Todavia, durante intervalos de rehidratação, o controlador deenergia 38 abre relê 42 e opera a chave 37 de modo que a fonte de energia dereservatório 39 é isolada da pilha de células de combustível 31 e corrente dapilha de células de combustível 31 é desviada para a carga interna 36. Paraevitar interrupção de energia para a carga externa 41, ao mesmo tempo, ocontrolador de energia 38 mantém o relê 43 em uma condição fechada paramanter a continuidade elétrica entre a fonte de energia de reservatório 39 e osterminais de saída de energia 35, suprindo assim a carga externa 41. No finalde um intervalo de rehidratação, o controlador 38 opera a chave 37 e relê 42para isolar a carga interna 36 a partir da pilha de células de combustível 31 epara reconectar a pilha de células de combustível com os terminais de saída41. Neste instante, a fonte de energia de reservatório 39 preferivelmentepermanece conectada de modo que ela pode ser recarregada por meio decorrente a partir da pilha de células de combustível 31. Depois de umapropriado período de carregamento, o circuito de controle de carga 40 podeoperar para isolar a fonte de energia de reservatório 39 usando um terceirorelê 44. Alternativamente, a fonte de energia de reservatório 39 poderiasimplesmente permanecer conectada em todo tempo.
Assim, será entendido que a pilha de células de combustível 31é a fonte de energia principal, mas, durante o intervalo de rehidratação, abateria 39 é o único provedor de energia para a carga externa 41. Quando apilha de células de combustível 31 vai de volta sobre a linha, ela é capaz decarregar totalmente a bateria 39 e, quando a bateria se aproxima do estado decarga completo, a corrente para dentro dela diminuirá.
Várias modificações podem ser feitas neste arranjo. Porexemplo, a chave 37 não precisa ser da variedade de dupla throuw, se não fornecessário isolar a pilha de células de combustível 31 e carga interna 36 apartir da carga externa 41 durante o intervalo de rehidratação. Em outraspalavras, desde que a energia requerida ainda possa ser fornecida para a cargaexterna 41 durante a intervalo de rehidratação, então, em princípio, a cargainterna 36 pode ser simplesmente adicionada à carga externa 41, em paralelo,durante o intervalo de rehidratação. Neste caso, uma fonte de energia dereservatório 39 poderia não ser estritamente necessária, vez que corrente émantida a partir da pilha de células de combustível 31 para a carga externa 41até mesmo durante o intervalo de rehidratação. Similarmente, os terminais desaída de energia 35 poderiam ser diretamente conectados com a pilha decélulas de combustível 31; a carga interna 36 comutada para ligação oudesligamento em um primeiro circuito paralelo, quando requerido; e a fontede energia de reservatório comutada para ligação ou desligamento com ocontrole de carga em um segundo circuito paralelo, se requerido.
Assim, em um aspecto geral, será reconhecido que ocontrolador de energia de pilha 38 pode usar a carga interna 36 paraperiodicamente e temporariamente aumentar a corrente puxada a partir dapilha de células de combustível em adição a ou em lugar de independentedemanda de corrente externa ao conjunto de célula de combustível durante osintervalos de rehidratação. Se necessário, um dispositivo de controle deenergia poderia ser usado para a chave na carga interna 36 em uma basecontrolada para evitar grandes transientes de comutação.
Intervalos de rehidratação podem também ser implementadosusando uma redução periódica e temporária em fluxo de ar para os catodos dapilha de células de combustível 31. Assim, o controlador de energia 38 podeser cona figurado para reduzir energia para o ventilador de resfriamento 34durante a intervalo de rehidratação. Preferivelmente, o ventilador deresfriamento é comutado para desligamento durante o intervalo derehidratação.
Assim, em um aspecto geral, o controlador de energia de pilha38 pode modular fluxo de ar através da pilha de células de combustível 31 emuma base periódica, independente de demanda elétrica de corrente sobre apilha de células de combustível para prover intervalos de rehidratação queaumentam o nível de hidratação das células de combustível. A expressão'independente' neste contexto é destinada a indicar independência dealterações imediatas ou transientes na carga elétrica externa 41 sobre oconjunto de célula de combustível 30.
Tanto modulação de fluxo de ar quanto elevada carga podemser usadas para as finalidades de implementar intervalos de rehidratação. Ográfico da figura 4 ilustra perfis de corrente e tensão para esta operação. Otraço superior 50 representa tensão de pilha como uma função de tempo, etraço inferior 51 representa corrente de pilha como uma função de tempo.
Durante o período de tempo 52 (t = 0 - 6 segundos), aoperação normal da célula de combustível é ilustrada. Durante o próximoperíodo de tempo 53 (t = 6 - 10 segundos), os ventiladores de resfriamento 34que provêm o fluxo de ar de catodo são desligados, causando uma elevação natemperatura de pilha. Rumo ao final deste período de tempo, uma pequenaredução em tensão de carga é observada, com uma correspondente pequenaelevação em corrente para manter a energia constante, devido a limitações detransporte de massa. No ponto onde a entrada de tensão para o conversor deDC/DC 40 se aproxima daquela da tensão de terminal da bateria 39, correntea partir da célula de combustível é reduzida para zero. Aqui, o fornecimentode energia para os terminais de saída 35 será suplementado por meio dabateria 39.
A saída da pilha de células de combustível 31 é então isoladapor meio do relê de abertura 42 sob carga eletrônica mínima deixando abateria 39 para prover o contínuo fornecimento de energia para a aplicação(por exemplo, carga externa 41), evidenciada por meio de a corrente cair parazero no período de tempo 54 (t ~ 10 - 11 segundos). No instante t = 11segundos, o resistor de carga interna 36 é comutado através dos terminais 33da pilha de células de combustível 31, como evidenciado pelo pico 55. Istoeletricamente carrega a pilha de células de combustível 31 ainda mais para umperíodo de tempo controlado, mais precisamente um intervalo de alta corrente56 (t ~ 11 - 12 segundos).
Durante este intervalo de alta corrente 56, o oxidanteremanescente dentro dos canais de fluxo de fluido da pilha de células decombustível 31 é consumido e a tensão de terminal de pilha é puxada parabaixo em direção a 0 V. Sem os ventiladores 34 puxando os subprodutos deágua para fora, água em excesso permanece na interface de MEA / camada dedifusão de gás de cada célula31. Depois do intervalo de alta corrente 56, apilha de células de combustível 31 é isolada de toda a carga elétrica durante ointervalo de isolamento 57 (t = 12 - 16 segundos). Durante este intervalo deisolamento, o fluxo de corrente é zero e a tensão de pilha 50 se recupera atéum pico no ponto 58 (t = 16 segundos). Durante um intervalo de tempo dereconexão 59 (t ~ 16 - 18 segundos), energia a partir da pilha 31 é levada devolta na linha em uma maneira controlada, usando o controle digital sobre oconversor de DC/DC 40 para gradualmente aumentar o ponto de ajuste delimite de corrente. No ponto 60, a célula de combustível está completamenteem linha e começa a recarregar a bateria 39 (em t = 18 segundos). A célula decombustível recarrega a bateria bem como supre energia para a carga externa41 durante o seguinte período de tempo 61. A corrente gradualmente caiquando a bateria 39 se aproxima do estado completo de carga.
Depois de um apropriado intervalo de tempo, por exemplo,entre 2 e 5 minutos, a próxima operação de rehidratação é iniciada (nãomostrada na figura 4). Qualquer apropriado intervalo de tempo pode serusado, que é eficaz para prover um útil aumento médio em tensão de carga.Dependendo das condições ambientais, tais como temperatura e umidade, e dese a célula de combustível funciona sob uma carga fixa constante ou variável,o intervalo de tempo poderia ser tão pequeno quanto 1 minuto ou tão grandequanto 2 horas, por exemplo.
A freqüência ótima das operações de rehidratação podedepender de um número de fatores, incluindo condições atmosféricas taiscomo temperatura e umidade. Quando uma camada de difusão de gás decatodo multicamada é usada, pode ocorrer um aumento significantementemaior no desempenho eletroquímico e um maior período de tempo para odesempenho de célula de combustível retornar para um nível equilibrado emcomparação com arranjos de única camada de difusão de gás. Este é tambémo caso para o uso da técnica com pilhas de catodo aberto, em oposição aoscatodos convencionais pressurizados, onde, no último caso, o fluxo de arforçado que se acanala rapidamente remove a água em excesso.
Preferivelmente, as operações de rehidratação sãoimplementada automaticamente em uma base periódica fixa. Todavia, seráentendido que um outro algoritmo de controle pode ser usado para comutar oconjunto de célula de combustível 30 entre um modo normal em que nooperações de rehidratação têm lugar, e um modo de rehidratação em que asoperações de rehidratação periódicas e temporárias são realizadas. Aperiodicidade das operações de rehidratação pode ser controlada de acordocom alguns parâmetros de operação mensuráveis da pilha, tais comotemperatura média, umidade, perfil de tensão, perfil de corrente e demanda deenergia, etc. O ciclo de operação dos intervalos de rehidratação podem sercontrolados de acordo com alguns parâmetros de operação mensuráveis dapilha tais como temperatura média, umidade, perfil de tensão, perfil decorrente e demanda de energia etc. Preferivelmente, corrente zero é puxadadurante o intervalo de isolamento 57, mas será entendido que uma baixacorrente poderia ser puxada. Em algumas formas de realização, o intervalo deisolamento poderia não ser requerido.
Outras formas de realização estão intencionalmente dentro dodas reivindicações acompanhantes.
Claims (16)
1. Conjunto de célula de combustível eletroquímica,caracterizado pelo fato de que compreende:uma pilha de células de combustível compreendendo umnúmero de células de combustível, cada tendo um conjunto de membrana-eletrodo e placas de fluxo de fluido para fornecimento de combustível eoxidante ao mesmo, e uma saída elétrica para fornecimento de corrente apartir da pilha; eum controlador de energia de pilha para periodicamente etemporariamente aumentar a corrente puxada a partir da pilha de células decombustível, em adição a ou em lugar de independente demanda de correnteexterna ao conjunto de células de combustível, durante intervalos derehidratação para aumentar o nível de hidratação das células de combustível.
2. Conjunto de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o controlador de energia de pilha compreende um dispositivode carga comutável para puxar corrente em um predeterminado nívelrelativamente alto durante ditos intervalos de rehidratação.
3. Conjunto de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que ainda inclui uma fonte de energia de reservatório acopladacom terminais de saída de energia externos do conjunto de células decombustível, em que o controlador de energia de pilha é adaptado paraeletricamente isolar a saída elétrica da pilha de células de combustível a partirdos terminais de saída de energia externos durante os intervalos derehidratação.
4. Conjunto de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que ainda inclui uma fonte de energia de reservatório acopladacom terminais de saída de energia externos do conjunto de células decombustível, e um dispositivo de controle de carga para controlarfornecimento de corrente para os terminais de saída de energia externos apartir de uma ou ambas da fonte de energia de reservatório e da pilha decélulas de combustível.
5. Conjunto de acordo com a reivindicação 3 ou reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a fonte de energia de reservatório é umabateria recarregável.
6. Conjunto de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o controlador de energia de pilha é adaptado paraimplementar os intervalos de rehidratação em tempos regulares.
7. Conjunto de acordo com a reivindicação 1 ou reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o controlador de energia de pilha é adaptadopara implementar os intervalos de rehidratação em resposta um parâmetro depilha de célula de combustível que está dentro de um predeterminado critériode limite.
8. Conjunto de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que os intervalos de rehidratação, cada, incluem um intervalo dealta corrente em que corrente puxada a partir da pilha de células decombustível é substancialmente mais alta que a demanda de corrente deoperação normal e um intervalo de isolamento em que a corrente puxada apartir da pilha de células de combustível é substancialmente mais baixa que ademanda de corrente de operação normal.
9. Conjunto de acordo com a reivindicação 8, caracterizadopelo fato de que controlador é adaptado para eletricamente isolar a pilha decélulas de combustível durante o intervalo de isolamento.
10. Conjunto de acordo com a reivindicação 4, caracterizadopelo fato de que o dispositivo de controle de carga é adaptado para aumentarum fornecimento de energia a partir da pilha de células de combustível paraos terminais de saída de energia externos em uma maneira controlada emseguida ao intervalo de rehidratação.
11. Conjunto de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o controlador de energia de pilha é adaptado para modularfluxo de ar através da placas de fluxo de fluido da pilha de células decombustível durante o intervalo de rehidratação.
12. Conjunto de célula de combustível eletroquímica,caracterizado pelo fato de que compreende:uma pilha de células de combustível compreendendo umnúmero de células de combustível, cada tendo um conjunto de membrana-eletrodo e placas de fluxo de fluido para fornecimento de combustível eoxidante ao mesmo, e uma saída elétrica para fornecimento de corrente apartir da pilha;um controlador de pilha para modular fluxo de ar através dapilha de células de combustível em uma base periódica, independente dademanda de corrente sobre o conjunto de células de combustível para proverintervalos de rehidratação que aumentam o nível de hidratação das células decombustível; emeios para manter a demanda de corrente em uma cargaexterna ao conjunto de células de combustível durante os intervalos derehidratação.
13. Método de operação de um conjunto de célula decombustível eletroquímica tendo uma pilha de células de combustívelcompreendendo um número de células de combustível, cada tendo umconjunto de membrana-eletrodo e placas de fluxo de fluido para fornecimentode combustível e oxidante ao mesmo, e uma saída elétrica para fornecimentode corrente a partir da pilha, caracterizado pelo fato de que o métodocompreende as etapas de:periodicamente e temporariamente aumentar a corrente puxadaa partir da pilha de células de combustível independente da demanda decorrente externa ao conjunto de células de combustível durante intervalos derehidratação para aumentar o nível de hidratação das células de combustível;manter a demanda de corrente em uma carga externa aoconjunto de células de combustível durante os intervalos de rehidratação.
14. Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizadopelo fato de que a etapa de manter a demanda de corrente durante intervalosde rehidratação compreende usar uma fonte de energia de reservatório.
15. Método de operação de um conjunto de célula decombustível eletroquímica tendo uma pilha de células de combustívelcompreendendo um número de células de combustível, cada tendo umconjunto de membrana-eletrodo e placas de fluxo de fluido para fornecimentode combustível e oxidante ao mesmo, e uma saída elétrica para fornecimentode corrente a partir da pilha, caracterizado pelo fato de que o métodocompreende as etapas de:modular fluxo de ar através da pilha de células de combustívelem uma base periódica, independente da demanda de corrente sobre oconjunto de pilha de células de combustível para prover intervalos derehidratação que aumentam o nível de hidratação das células de combustívelenquanto mantém a demanda de corrente em uma carga externa ao conjuntode células de combustível durante os intervalos de rehidratação.
16. Aparelho, caracterizado pelo fato de que ésubstancialmente como descrito aqui com referência aos desenhosacompanhantes.
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