ES2311897T3 - Procedimiento para detectar una falta de reactante en una celula de combustible de una pila de celula de combustible, asi como una instalacion de celulas de combustible con una pila de celulas de combustible de ese tipo. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para detectar una falta de reactante en un área parcial (11) de un área de gas (12) de una célula de combustible (2) de un snack o pila de célula de combustible (1) a través de la detección de una caída de tensión (DeltaU), caracterizado porque la caída de tensión (DeltaU) se detecta perpendicularmente a la dirección de la pila (9) de la pila de célula de combustible (1).

Description

Procedimiento para detectar una falta de reactante en una célula de combustible de una pila de célula de combustible, así como una instalación de células de combustible con una pila de células de combustible de ese tipo.

Procedimiento para detectar una falta de reactante en una célula de combustible de una pila de células de combustible, así como una instalación de células de combustible con una pila de células de combustible de ese tipo.

La invención comprende un procedimiento para detectar una falta de reactante en un área parcial de un área de gas de una célula de combustible, acorde al término genérico de la reivindicación 1, así como una instalación de células de combustible con una pila de células de combustible de ese tipo, acorde al término genérico de la reivindicación 6. Un procedimiento de ese tipo y una instalación de células de combustible tal se conoce, por ejemplo por la memoria EP 0596 367 A1.

Entretanto se conoce una gran cantidad de diferentes tipos de instalación de células de combustible que se diferencian en lo que respecta a su construcción, los reactantes, los electrólitos utilizados, así como en lo que respecta a las temperaturas de trabajo necesarias. Por ejemplo, en el caso de una célula de combustible PEM (membrana de polímero electrolítico), entre un ánodo permeable al gas y un cátodo permeable al gas está dispuesta una membrana de polímero electrolítico permeable a protones de hidrógeno. Para generar corriente eléctrica, a dicha célula de combustible PEM usualmente se le suministra, durante el funcionamiento y a modo de reactante, un gas de combustión, por ejemplo, hidrógeno, del lado del ánodo, y aire u oxígeno del lado del cátodo.

Dado que una sola célula de combustible sólo brinda una tensión de aproximadamente 0,7 a 0,9 voltios, múltiples células de combustible están unidas eléctricamente en serie conformando una pila. En este caso, las células de combustible individuales usualmente están separadas por una placa bipolar. La placa bipolar presenta una estructura, por ejemplo, una estructura de botones y yace contra el ánodo o el cátodo. Por esta estructura está formada un área de gas entre la placa bipolar y el ánodo o cátodo adyacente, a través del cual fluyen el o los reactantes. La placa bipolar puede, por ejemplo, estar formada por dos chapas soldadas entre sí en sus bordes, que conforman entre sí un área de medio refrigerante para el paso de un medio refrigerante. Entre las células de combustible de la pila de células de combustible están dispuestos en parte otros componentes de construcción como, por ejemplo, cojines de presión. La pila de células de combustible en general está cerrada en un extremo por, respectivamente, una placa de polo.

Durante el funcionamiento de una célula de combustible PEM se puede generar una falta de reactante en un área parcial de un área de gas, y con ello, una reducción de la tensión de la pila de células de combustible, a causa de los siguientes motivos:

a)

Durante el funcionamiento, los protones de hidrógeno migran por los electrólitos hasta el lado del oxígeno, y reaccionan con el oxígeno. A su vez, se produce agua de reacción y se acumula en el área de gas catódico.

b)

Por la humidificación de los reactantes que se lleva a cabo usualmente antes de su ingreso a la célula de combustible, ingresa agua a un área de gas y se acumula en ella.

c)

Según el grado de pureza de los gases de reacción utilizados se producen gases inertes y se almacenan en un área de gas.

El agua o los gases inertes se acumulan preferentemente en las últimas células de combustible de una pila de células de combustible o, en el caso de una instalación de células de combustible con múltiples pilas de células de combustible dispuestas en serie, una tras otra en forma de cascada, en la última pila de células de combustible. Estas células de combustible (o estas pilas de células de combustible) se barre o barren con cierta frecuencia, es decir, mediante una válvula de limpieza se abre un conducto de limpieza conectada a la pila del lado de la salida del gas, de modo que se expulsan el agua acumulada y los gases inertes. Por ello, la última célula de combustible o la última pila de células de combustible también se denominan células de limpieza o pilas de células de limpieza.

Por la memoria EP 0596 367 A1 se conoce un procedimiento para detectar una acumulación de agua y gases inertes en un área de gas de una célula de combustible mediante la detección de una caída de tensión entre dos contactos, dispuestos separados entre sí, entre dos células de combustible directamente adyacentes en la dirección de la pila de la pila de células de combustible. Si las células de combustible están apiladas a una distancia muy reducida, tal detección de la tensión en la dirección de la pila ha demostrado ser problemática.

La invención tiene como objetivo presentar un procedimiento del tipo mencionado al comienzo y una instalación de células de combustible que posibiliten detectar de manera simple y de modo muy confiable una falta de reactante en un área parcial de un área de gas de una célula de combustible, incluso en el caso de células de combustible apiladas a una distancia reducida, para poder iniciar las contramedidas a tiempo.

El objetivo orientado al procedimiento se resuelve mediante un procedimiento acorde a la reivindicación 1. El objetivo orientado a la instalación de células de combustible se resuelve mediante una instalación de células de combustible acorde a la reivindicación 6. Acondicionamientos ventajosos del procedimiento o de la instalación de células de combustible son objeto de las subreivindicaciones respectivas.

La invención parte del razonamiento de que mediante las células de combustible adyacentes de la pila de células de combustible, que funcionan correctamente, se impulsa una corriente constante a través de la célula de combustible que, en parte, presenta una falta de alimentación. A causa del desplazamiento de la densidad de corriente, un área parcial de la célula de combustible con una falta de alimentación trabaja en un punto de trabajo diferente al área parcial con una alimentación correcta de la célula de combustible. Condicionada por ello, la tensión generada por la célula de combustible en el área con la falta de alimentación es menor a la del área de la célula de combustible alimentada correctamente. Por ello, en los elementos constructivos adyacentes a la célula de combustible en dirección a la pila, se producen corrientes de compensación perpendiculares a la dirección de la pila. Por ello, dependiendo de la resistencia de la superficie del elemento constructivo, se puede detectar una caída de tensión perpendicular a la dirección de la pila. Sorprendentemente, se comprobó que esta caída de tensión ya es suficiente, en la práctica, para la detección de la falta de alimentación de un área parcial de un área de gas de una célula de combustible. Tal caída de tensión exclusivamente perpendicular a la dirección de la pila también puede producirse en el caso de distancias reducidas entre sí de los componentes constructivos de las células de combustible. De ese modo está dada una posibilidad especialmente simple de una detección de una falta de alimentación.

Por otro lado, y tal como se ha comprobado, también puede detectarse una falta de reactante que puede aducirse a un cuerpo extraño, por ejemplo, a una partícula de polvo o cristales de sal que obstruyen una parte del área de gas. También se puede detectar una impermeabilidad parcial o total de un área parcial de un área de gas para un reactante, por ejemplo, a causa de fallas o tolerancias de la fabricación. Gracias a la posibilidad de la detección de acumulación de agua se puede evitar efectivamente la corrosión en las células de combustible.

Dado que las placas bipolares presentan una conductividad comparativamente reducida perpendicular a la dirección de la pila, debido a su acondicionamiento y/o debido al material utilizado, es posible una detección especialmente buena gracias a que la caída de tensión es medida en una placa bipolar que configura el área de gas. Sin embargo, la caída de tensión también puede ser detectada por otros componentes de construcción por los cuales pasa la corriente de la pila de células de combustible, por ejemplo, en el electrodo alimentado por el área de gas o en otros componentes de construcción como el cojinete de presión, o en elementos refrigerantes dispuestos entre la célula de combustible y una célula de combustible adyacente o una placa de polo.

Acorde a un acondicionamiento especialmente ventajoso del procedimiento acorde a la invención, la caída de tensión se detecta entre el área de la alimentación de gas al área de gas y el área de salida de gas del área de gas, dado que los gases inertes o el agua se acumulan especialmente en el área de la salida de gas de un área de gas y de ese modo se puede detectar una máxima caída de tensión.

Dependiendo de la caída de tensión detectada, se puede llevar a cabo entonces un barrido del área de gas.

Una instalación de células de combustible acorde a la invención presenta, al menos, una célula de combustible con dos tomas de tensión y con un dispositivo para detectar la tensión entre ambas tomas de tensión, para detectar una falta de reactante en un área parcial de un área de gas de una célula de combustible. Ambas tomas de tensión están dispuestas, a su vez, perpendicularmente a la dirección de la pila y separadas entre sí. Mientras que en la instalación de células de combustible conocida las tomas de tensión están separadas entre sí en dirección de la pila, acorde a la invención, los contactos están dispuestos separados entre sí perpendiculares a la dirección de la pila. Los razonamientos y las ventajas mencionados para el procedimiento acorde a la invención también rigen, correspondientemente, para la instalación de células de combustible acorde a la invención.

La invención, así como otros acondicionamientos ventajosos de la invención, acordes a las características de las subreivindicaciones, serán comentadas a continuación a partir de los ejemplos de ejecución en las figuras. Se muestra:

Figura 1 una zona de una pila de células de combustible con un dispositivo para la evacuación de gas inerte,

Figura 2 una disposición especialmente ventajosa de las tomas de tensión en una placa bipolar,

Figura 3 curvas características de la tensión de corriente de la placa bipolar de la figura 2.

En la figura 1 se ve una representación esquemática de una zona de una pila de células de combustible 1. En esta zona están representadas dos células de combustible 2, 4 que están conectadas entre sí eléctricamente en serie a través de una placa bipolar 6. La célula de combustible 2 puede estar conectada eléctricamente en serie a través de una placa bipolar 8, y la célula de combustible 4, a través de una placa bipolar 7 con otras células de combustible, de modo que se impulsa una corriente IM a través de todas las células de combustible 2, 4 de la pila de células de combustible.

Cada célula de combustible 2, 4 comprende un área de gas catódico 12, un cátodo 16, una membrana de polímero electrolítico (PEM) 18, un ánodo 20 y un área de gas anódico 22. El área de gas catódico 12 y el área de gas anódico 22 se configuran mediante hendiduras 26 en la cara de una placa bipolar 6, 7, 8, adyacente al cátodo 16 o al ánodo 20.

Las áreas de gas catódico 12 y las áreas de gas anódico 22 de las células de combustible 2, 4 están unidas entre sí mediante un sistema de conducción 28 o 30 respectivamente, de tal forma que la dirección de la corriente de una mezcla de gas del lado del cátodo O_{2}, I_{G} y una mezcla de gas del lado del ánodo H_{2}, I_{G} discurren en sentido contrario en las áreas de gas de cada célula 2, 4 y en las células adyacentes.

En la placa bipolar 6 están dispuestos los contactos para la toma de tensión MP1, MP2, en los que se detecta la tensión \DeltaU que cae en la placa bipolar 6, perpendicularmente a la dirección de la pila de las células de combustible 2, 4. Los contactos MP1 y MP2 están, para ello, dispuestos separados entre sí, perpendicularmente a la dirección de la pila 9 de las células de combustible 2, 4. La dirección de la pila de las células de combustible 2, 4 está identificada en este caso con un 9, la dirección perpendicular a la dirección de la pila 9, con 10. Un dispositivo 34 se utiliza para detectar la caída de tensión \DeltaU = U_{MP1} - U_{MP2} entre ambos puntos de medición MP1 y MP2.

La figura 2 muestra una representación simplificada en perspectiva del área de gas catódico 12 configurado por la placa bipolar 6 de la figura 1. A través de los puntos de medición MP1 y MP2 se lleva a cabo la toma de tensión \DeltaU. Las tomas de tensión están dispuestas en dos áreas marginales 36, 38 de la placa bipolar 6, dispuestas enfrentadas entre sí. En este caso, la toma de tensión en el punto de medición MP1 se lleva a cabo en el área de la alimentación de gas para oxígeno al área de gas 12 configurada por la placa bipolar 6 y la toma de tensión en el punto de medición MP2 en el área de la salida de gas para oxígeno de esta área de gas.

En la figura 3 se identifica con el número 40 la curva característica de tensión de corriente de los puntos de medición MP1 y MP2 en el caso de un área de gas 12, de la célula de combustible 4, alimentada de manera regular. En el caso de una alimentación insuficiente del área parcial 11 del área de gas catódico 12 de la célula de combustible 4, por ejemplo, a causa de una acumulación de gas inerte o agua, a causa de cuerpos extraños o a causa de errores en la fabricación, el potencial de tensión del punto de medición MP2 sigue la curva característica identificada con 42, es decir, el potencial de tensión del punto de medición MP2 desciende en comparación con el potencial de tensión del punto de medición MP1. La diferencia \DeltaU de ambos potenciales de tensión depende de la conductividad de la placa bipolar 6 entre ambos puntos de medición MP1, MP2 y de la densidad de corriente de la corriente IM impulsada por la célula de combustible.

En relación a tensión UZ de las células de combustible 2, 4 de aproximadamente 0,7 V en cada caso, esta caída de tensión \DeltaU alcanza, en el caso de una cantidad elevada de gas inerte I_{G}, hasta un 20% de la tensión de la célula UZ. Las caídas de tensión U habituales se encuentran en el área de 10 a 100 mV.

El dispositivo 34 para detectar la tensión \DeltaU se utiliza al mismo tiempo como dispositivo de mando para el control de la regulación de una válvula de limpieza 32 para el barrido del área de gas 12. La válvula de limpieza 32 está montada en el sistema de conducción 28 del lado de la salida del área de gas catódico 12 de la célula de combustible 4. Como parámetro para la regulación de la válvula 32 se utiliza la caída de tensión \DeltaU.

Acorde a un acondicionamiento ventajoso de la invención, la pila de células de combustible 1 consiste en una cantidad de por ejemplo n = 70 células de combustible 2, 4 conectadas eléctricamente en serie, asimismo, la célula de combustible 4 de la célula de combustible (n - 1), o penúltima célula de combustible, se corresponde con la célula de combustible 2 de la célula de combustible n, o última célula de combustible, de la pila de células de combustible 1.

Durante el funcionamiento de la pila de células de combustible 1 se lleva a cabo la alimentación de la mezcla de gas del lado del ánodo y del cátodo H_{2}, I_{G}; O_{2}, I_{G} en las caras opuestas de la pila de células de combustible 1. Esto significa que, a través del sistema de conducción 30, en el lado de entrada del área de gas anódico 22 de la célula de combustible 4 se suministra una mezcla de gas nuevo del lado del ánodo H_{2}, I_{G}. La mezcla de gas del lado del ánodo en el ejemplo de ejecución es técnicamente gas de hidrógeno puro H_{2}, que aún presenta una cantidad de gas inerte I_{G} de < 0,005% en volumen. La mezcla de gas O_{2}, I_{G} suministrada del lado de entrada al área de gas catódico 12 de la célula de combustible 2, a través del sistema de conducción 28, ya ha atravesado una cantidad de (n-1) células de combustible, de la pila de células de combustible 1, preconectadas en dirección de la corriente. Como consecuencia de la reacción electroquímica del hidrógeno H_{2} y del oxígeno O_{2} obteniendo como resultado agua H_{2}O, en las células de combustible, la mezcla de gas que ingresa del lado del cátodo al área de gas catódico 12 de la célula de combustible 2, que anteriormente fue gas de oxígeno O_{2} técnicamente puro con una proporción de gas inerte I_{G} de < 0,5% en volumen, presenta, como consecuencia del consumo total del oxígeno O_{2} en las células de combustible (n-1) anteriores, una notable proporción de agua H_{2}O y gas inerte I_{G}. Por ello, a la mezcla de gases O_{2}, I_{G}, H_{2}O del lado del cátodo, ya muy enriquecida con gas inerte I_{G} en las áreas de gas catódico 12 de la célula de combustible 2, se le opone una mezcla de gas H_{2}, I_{G} del lado del ánodo, casi sin consumir, en el área de gas anódico 22 de la célula de combustible 2.

El consumo de gas de la célula de combustible 2 proporciona un flujo de gas constante en el área de gas catódico 12 y una ligera concentración de la proporción de gas inerte en la dirección de flujo. En el caso de que la válvula 32 esté cerrada se le extrae el oxígeno O_{2} restante a la mezcla de gas O_{2}, I_{G} que ingresa en el área de gas catódico 12 de la célula de combustible 2. En la dirección de flujo aumenta por ello, en el área de gas catódico 12, la concentración de gas inerte I_{G} a casi un 100%.

Dependiendo de esta caída de tensión \DeltaU, que se incrementa con la proporción creciente de gas inerte I_{G} y agua H_{2}O, es decir, con el consumo total de la proporción de oxígeno O_{2}, se regula o se conduce la válvula 32 mediante el dispositivo de ajuste 34. En el caso de que la válvula 32 esté abierta, se expulsa la mezcla de gas rica en gas inerte (en este caso, del lado del cátodo) de la pila de células de combustible 1. La parte de la mezcla de gas del lado del cátodo expulsada de la pila de células de combustible 1, que en gran parte consiste en gases inertes, es decir, en gas inerte I_{G} y agua H_{2}O, es reemplazada en el lado de entrada de la pila de células de combustible 1 por una mezcla de gas fresco del lado del cátodo O_{2}, I_{G}, en este caso, gas de oxígeno técnicamente puro. En el caso de que la válvula 32 esté cerrada, el incremento de la proporción de gas inerte I_{G} y agua H_{2}O se acelera rápidamente como consecuencia del consumo del oxígeno O_{2}.

Al regular la válvula 32 se puede proceder de dos maneras. Por un lado, el dispositivo de mando 34 puede comprender un regulador que adapte el grado de apertura de la válvula 32 directamente a la diferencia entre la caída de tensión \DeltaU y el valor de referencia. Por otro lado, el dispositivo de mando 34 puede controlar la válvula 32 de tal modo que la válvula 32 se abra tras sobrepasar un umbral límite predeterminado de \DeltaU y tras dejar pasar una cantidad de gas definida (tiempo de apertura definida) se vuelva a cerrar.

La construcción mostrada en la figura 1 para extraer la proporción de gas inerte I_{G} y agua H_{2}O de la mezcla de gas del lado del cátodo también puede estar instalada, del mismo modo, en la primera (n = 1) y en la segunda (n = 2) célula de combustible de la pila de células de combustible 1, para garantizar la extracción de la proporción de gas inerte I_{G} de la mezcla de gas del lado del ánodo H_{2}, I_{G}.

En principio, el procedimiento acorde a la invención no está limitado a la aplicación en células de combustible PEM, sino que puede, asimismo, ser utilizado en todos los demás tipos de células de combustible, por ejemplo, en el caso de células de combustible con otros electrólitos conductores de protones, de iones de hidróxido o de iones de oxígeno.

Mediante la detección y el control de la tensión de las células en cada célula de la pila de células de combustible, se pueden identificar con precisión las células que trabajan de manera insuficiente dentro de la pila de células de combustible. Pero de ese modo no es posible una identificación precisa de cuál de las dos áreas de gas trabaja de manera insuficiente. Sin embargo, gracias a la detección acorde a la invención de la tensión perpendicular a la dirección de la pila entre todas las células de combustible, también se puede identificar adicionalmente el área de gas que trabaja de manera insuficiente. De ese modo es posible un control completo y automatizable de las relaciones en una pila de células de combustible, por la cual se impiden o se eliminan adecuada y rápidamente, y con un costo reducido, las fallas durante el funcionamiento y se pueden mantener así reducidos los tiempos de detención.

Para un control completo de la pila de células de combustible, rastreando faltas de reactantes en áreas parciales de áreas de gas de las células de combustible, en múltiples puntos de las pila de células de combustible, preferentemente entre cada célula de combustible de la pila de células de combustible, pueden preverse tomas de tensión para detectar caídas de tensión en la dirección de la pila de la pila de células de combustible y también válvulas 32 en diferentes puntos, para descargar agua y mezclas de gas con contenido de gas inerte. Mediante un dispositivo central de mando y de control, en estas tomas de tensión se pueden detectar de manera automática las tensiones, se pueden indicar las faltas de reactante y se pueden iniciar contramedidas, por ejemplo, la apertura de válvulas.

Claims (10)

1. Procedimiento para detectar una falta de reactante en un área parcial (11) de un área de gas (12) de una célula de combustible (2) de un snack o pila de célula de combustible (1) a través de la detección de una caída de tensión (\DeltaU), caracterizado porque la caída de tensión (\DeltaU) se detecta perpendicularmente a la dirección de la pila (9) de la pila de célula de combustible (1).

2. Procedimiento acorde a la reivindicación 1, caracterizado porque la caída de tensión (\DeltaU) se detecta en una placa bipolar (6) que conforma el área de gas (12).

3. Procedimiento acorde a la reivindicación 2, caracterizado porque la caída de tensión (\DeltaU) se detecta entre dos áreas marginales (36, 38) de la placa bipolar (6) enfrentadas entre sí.

4. Procedimiento acorde a la reivindicación 2 o 3, caracterizado porque la caída de tensión (\DeltaU) se detecta en la placa bipolar (6) entre el área del suministro de gas al área de gas (12) y el área de la salida de gas del área de gas (12).

5. Procedimiento acorde a una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se lleva a cabo un barrido del área de gas (12) dependiendo de la caída de tensión (\DeltaU) detectada.

6. Célula de combustible con, al menos, una célula de combustible (1) con dos tomas de tensión (MP1, MP2) y con un dispositivo (34) para detectar la tensión (\DeltaU) entre ambas tomas de tensión, para detectar una falta de reactante en un área parcial (11) de un área de gas (12) de una célula de combustible (2), caracterizada porque ambas tomas de tensión (MP1, MP2) están dispuestas separadas entre sí, perpendiculares a la dirección de la pila (9) de célula de combustible (1).

7. Célula de combustible acorde a la reivindicación 6, caracterizada porque las tomas de tensión (MP1, MP2) están dispuestas en una placa bipolar (6) que configura el área de gas (12).

8. Célula de combustible acorde a la reivindicación 7, caracterizada porque las tomas de tensión (MP1, MP2) están dispuestas en dos áreas marginales (38, 36) de la placa bipolar (6), enfrentadas entre sí.

9. Célula de combustible acorde a la reivindicación 7 u 8, caracterizada porque una toma de tensión (MP1) está dispuesta en el área de la alimentación de gas al área de gas (12) y la otra toma de tensión (MP2), en el área de la salida de gas del área de gas (12).

10. Célula de combustible acorde a una de las reivindicaciones 6 a 9, caracterizada porque presenta una válvula de limpieza (32) para el barrido del área de gas (12) de la célula de combustible, y un dispositivo de mando (34) para controlar la regulación de la válvula de limpieza (32) dependiendo de la tensión (\DeltaU) medida.