ES2336537T3 - Sistemas de energia de celulas de combustible y procedimientos de control de un sistema de energia de celulas de combustible. - Google Patents

Sistemas de energia de celulas de combustible y procedimientos de control de un sistema de energia de celulas de combustible. Download PDF

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Abstract

Un sistema de energía de células de combustible que comprende: una pluralidad de células de combustible conectadas eléctricamente con terminales plurales y configuradas individualmente para convertir energía química en electricidad, y un sistema de control digital configurado para al menos uno de controlar y monitorizar un funcionamiento de las células de combustible, caracterizado porque las células de combustible están configuradas para ser desactivadas selectivamente de manera individual y unas células de combustible restantes están configuradas para proporcionar electricidad a los terminales con otra de las células de combustible desactivadas.

Description

Sistemas de energía de células de combustible y procedimientos de control de un sistema de energía de células de combustible.
Campo técnico
La presente invención se refiere a sistemas de energía de células de combustible y procedimientos de control de un sistema de energía de células de combustible.
Técnica antecedente
Las células de combustible son bien conocidas en la técnica. La célula de combustible es un dispositivo electroquímico que hace reaccionar hidrógeno y oxigeno, que normalmente es suministrado del aire ambiente, para producir electricidad y agua. El procedimiento básico es altamente eficiente y las células de combustible abastecidas directamente por hidrógeno están sustancialmente libres de contaminación. Además, como las células de combustible pueden ser ensambladas en pilas de diversos tamaños, se han desarrollado sistemas de energía para producir una amplia gama de niveles de potencia de salida eléctrica y de este modo pueden emplearse en numerosas aplicaciones industriales.
Aunque los procesos electromecánicos fundamentales implicados en todas las células de combustible son perfectamente comprendidos, las soluciones de ingeniería han resultado ser difíciles de alcanzar para hacer fiables ciertos tipos de célula de combustible, y económicos para otros. En el caso de sistemas de célula de combustible de membrana de electrolito de polímero (PEM) la fiabilidad de los sistemas de energía de células de combustible no ha sido la inquietud impulsora hasta la fecha, sino más bien lo ha sido el coste instalado por vatio de capacidad de generación. Para reducir más el coste por vatio de las células de combustible PEM, mucha atención ha estado dirigida a incrementar la potencia de salida de las mismas. Históricamente, esto ha tenido como resultado sistemas adicionales sofisticados de instalaciones complementarias de la central que son necesarios para optimizar y mantener elevada potencia de salida de las células de combustible PEM. Una consecuencia de los sistemas de las instalaciones complementarias de la central altamente complicados es que no se puede reducir fácilmente su escala para aplicaciones de baja capacidad. Por consiguiente, el coste, la eficiencia, la fiabilidad y los gastos de mantenimiento se ven afectados negativamente todos ellos en las aplicaciones de baja generación.
Es bien conocido que las células de combustible de una sola PEM producen un voltaje útil de sólo aproximadamente 0,45 a aproximadamente 0,7 voltios de CC por célula bajo una carga. Las plantas de célula de combustible PEM prácticas han sido construidas a partir de múltiples células apiladas juntas de manera que están conectadas eléctricamente en serie. Además es bien sabido que las células de combustible PEM pueden funcionar a niveles de potencia de salida más altos cuando se dispone de humidificación suplementaria para la membrana de intercambio de protones (electrolito). En este aspecto, la humidificación baja la resistencia de las membranas de intercambio de protones al flujo de protones. Para lograr esta humidificación incrementada, puede introducirse agua suplementaria dentro de las corrientes de hidrógeno u oxigeno por diversos procedimientos, o más directamente en la membrana de intercambio de protones por medio del fenómeno físico conocido como efecto de mecha, por ejemplo. Sin embargo, el foco de investigación en los últimos años ha sido desarrollar montajes de electrodo de membrana (MEA) con potencia de salida cada vez más mejorada cuando funcionan sin humidificación suplementaria. Poder hacer funcionar un MEA cuando está auto-humidificado es ventajoso porque disminuye la complejidad de las instalaciones complementarias de la central con sus costes asociados. Sin embargo, hasta ahora la auto-humidificación ha tenido como resultado células de combustible que funcionan a densidades de corriente inferiores y así, a su vez, ha tenido como resultado que se requieren más montajes de estos para generar una cantidad de energía dada.
Aunque células de combustible PEM de diversos diseños ha funcionado con grados de éxito variables, también han tenido deficiencias que han restado valor a su utilidad. Por ejemplo, los sistemas de energía de células de combustible PEM tienen típicamente varias células de combustible individuales que están conectadas eléctricamente en serie (apiladas) entre sí de manera que el sistema de energía puede tener un mayor voltaje de salida. En esta disposición, si una de las células de combustible de la pila falla, ya no contribuye al voltaje y la energía. Uno de los fallos más comunes de tales sistemas de energía de células de combustible PEM es que un montaje de electrodo de membrana (MEA) se hidrata menos que otros MEAs en la misma pila de células de combustible. Esta pérdida de hidratación de membrana incrementa la resistencia eléctrica de la célula de combustible afectada, y así tiene como resultado que se genera más calor residual. A su vez, este calor adicional seca el montaje de electrodo de membrana. Esta situación crea una espiral de hidratación negativa. El sobrecalentamiento continuo de la célula de combustible puede hacer finalmente que la polaridad de la célula de combustible afectada se invierta de manera que ahora empieza a disipar energía eléctrica del resto de las células de combustible de la pila. Si no se rectifica esta condición, el calor excesivo generado por la célula de combustible que falla puede hacer que el montaje de electrodo de membrana se perfore y de ese modo pierda hidrógeno. Cuando se produce esta perforación la pila de células de combustible debe ser desmontada completamente y reparada. Dependiendo del diseño de pila de células de combustible que se emplee, esta reparación o sustitución puede ser un esfuerzo costoso y que lleva mucho tiempo.
Además, los diseñadores han buscado desde hace mucho un medio por el cual puedan aumentarse las densidades de corriente de las células de combustible PEM auto-humidificadas sin incrementar simultáneamente los requisitos de instalaciones complementarias de la central para estos mismos dispositivos.
El documento XP004174980 "Development of a hybrid fuel cell/battery powered electric vehicle", de M. Nadal y F. Barbir describe el diseño y rendimiento de un prototipo de vehículo eléctrico sin emisiones, impulsado fundamentalmente por células de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) de respiración de aire que usan hidrógeno gaseoso como combustible. El sistema de células de combustible está compuesto de las pilas de células de combustible, el depósito de hidrógeno, el compresor de aire, las válvulas de solenoide, los reguladores de presión, la bomba de agua, el depósito de agua, los intercambiadores de calor, los sensores, el controlador programable y el regulador de voltaje. El sistema de batería proporciona energía al vehículo durante periodos de demanda máxima de energía como la aceleración del vehículo o el desplazamiento a una velocidad constante elevada. Las baterías también proporcionan energía para iniciar el arranque de las células de combustible.
En el documento WO 98/13891 una célula de combustible de membrana de electrolito de polímero (PEM) está provista de electrodos alimentados con un reactivo en cada lado de un montaje de membrana catalizada (CMA). La célula de combustible incluye una malla metálica que define un patrón de campo de flujo rectangular que tiene una entrada en una primera esquina y una salida en una segunda esquina ubicada sobre una diagonal desde la primera esquina. Todos los recorridos de flujo de la entrada a la salida a través del patrón de campo de flujo cuadrado son equivalentes para distribuir uniformemente el reactivo sobre el CMA.
El documento EP0827226A2 describe un procedimiento y aparato para monitorizar el rendimiento de las células de combustible PEM de H2-O2. Las salidas de un monitor de voltaje de célula/pila y un sensor de gas H2 de escape de cátodo son corregidas para las condiciones de funcionamiento de la pila, y luego comparadas con niveles predeterminados de aceptabilidad. Si coexisten ciertas condiciones inaceptables, se alerta a un operador y/o se emprenden automáticamente medidas correctivas.
El documento WO91/19328 desvela un procedimiento y aparato para monitorizar el rendimiento de células de combustible dispuestas en serie. El procedimiento y aparato implican la medición y comparación de indicadores de rendimiento de células de combustible, como el voltaje, en grupos de células conectadas en serie.
En el documento US4.782.669 se establece que las células de combustible basadas en energía en ráfagas separadas generan grandes cargas térmicas en periodos de tiempo muy cortos. Para evitar la ventilación externa o el uso de radiadores pesados en vehículos espaciales, tales células de combustible deben incluir sistemas de refrigeración de bucle cerrado de a bordo. Utilizar hielo subenfriado como medio de refrigeración, que puede estar en contacto con el ánodo, el cátodo o la corriente de recirculación de refrigerante provee a la célula de combustible de una capacidad de absorción de calor segura, muy eficiente y de poco peso.
Breve descripción de los dibujos
Más adelante se describen realizaciones preferidas de la invención con referencia a los siguientes dibujos adjuntos.
La Fig. 1 es una vista en perspectiva de una realización de un sistema de energía de células de combustible según la presente invención.
La Fig. 2 es una representación ilustrativa de un sistema de control conectado con componentes del sistema de energía de células de combustible.
La Fig. 3 es una vista en perspectiva en despiece ordenado de una configuración de un cartucho de células de combustible del sistema de energía de células de combustible.
La Fig. 4 es una representación esquemática de una realización del conjunto de circuitos conectado con células de combustible plurales del cartucho de células de combustible.
La Fig. 5 es un diagrama de bloques funcionales de una configuración del sistema de control para el sistema de energía de células de combustible.
La Fig. 6 es un diagrama de bloques funcionales de un controlador esclavo de análisis de cartucho del sistema de control conectado con el conjunto de circuitos y los componentes asociados.
La Fig. 7 es un diagrama de bloques funcionales de un controlador esclavo de válvula auxiliar del sistema de control conectado con el conjunto de circuitos y los componentes asociados.
La Fig. 8 es un diagrama de bloques funcionales de un controlador esclavo de ventilador del sistema de control conectado con el conjunto de circuitos y los componentes asociados.
La Fig. 9 es un diagrama de bloques funcionales de un controlador esclavo de interfaz del sistema de control conectado con el conjunto de circuitos y los componentes asociados.
La Fig. 10 es un diagrama de bloques funcionales de un controlador esclavo de puerto externo del sistema de control conectado con el conjunto de circuitos y los componentes asociados.
La Fig. 11 es un diagrama de bloques funcionales de un controlador esclavo de análisis de sistema del sistema de control conectado con el conjunto de circuitos y los componentes asociados.
La Fig. 12 es un diagrama de bloques funcionales de un controlador esclavo de sensor del sistema de control conectado con el conjunto de circuitos y los componentes asociados.
La Fig. 13 es un diagrama de bloques funcionales de un controlador esclavo de temperatura de aire del sistema de control conectado con el conjunto de circuitos y los componentes asociados.
La Fig. 14 es un diagrama de bloques funcionales de un controlador esclavo en derivación del sistema de control conectado con el conjunto de circuitos y los componentes asociados.
La Fig. 15 es un diagrama de bloques funcionales de un controlador esclavo de conmutadores del sistema de control conectado con el conjunto de circuitos y los componentes asociados.
Las Figs. 16-16A son un organigrama que ilustra operaciones ejemplares de un controlador maestro del sistema de control.
La Fig. 17 es un organigrama que ilustra una operación de arranque ejemplar del controlador maestro.
Las Figs. 18-18A son un organigrama que ilustra operaciones de error ejemplares del controlador maestro.
Las Figs. 19-19B son un organigrama de operaciones ejemplares del controlador esclavo de análisis de cartucho.
Las Figs. 20-20A son un organigrama que ilustra operaciones ejemplares del controlador esclavo de válvula auxiliar del sistema de control.
Las Figs. 21-21A son un organigrama que ilustra operaciones ejemplares del controlador esclavo de ventilador del sistema de control.
La Fig. 22 es un organigrama que ilustra operaciones ejemplares del controlador esclavo de interfaz del sistema de control.
La Fig. 23 es un organigrama que ilustra operaciones ejemplares del controlador esclavo de puerto externo del sistema de control.
Las Figs. 24-24A son un organigrama que ilustra operaciones ejemplares del controlador esclavo de análisis de sistema del sistema de control.
La Fig. 25 es un organigrama que ilustra operaciones ejemplares del controlador esclavo de sensor del sistema de control.
La Fig. 26 es un organigrama que ilustra operaciones ejemplares del controlador esclavo de temperatura de aire del sistema de control.
La Fig. 27 es un organigrama que ilustra operaciones ejemplares del controlador esclavo en derivación del sistema de control.
La Fig. 28 es un organigrama que ilustra operaciones ejemplares del controlador esclavo de conmutadores del sistema de control.
Mejores modos de llevar a cabo la invención y exposición de la invención
Esta exposición de la invención se presenta en apoyo de los propósitos constitutivos de las leyes de patentes de EE.UU. "para promover el progreso de la ciencia y las artes útiles" (Artículo 1, Sección 8).
Haciendo referencia a la Fig. 1, se ilustra una configuración de un sistema de energía de células de combustible 10. La configuración representada del sistema de energía de células de combustible 10 es ejemplar y son posibles otras configuraciones. Tal como se muestra, el sistema de energía de células de combustible 10 incluye un alojamiento 12 provisto alrededor de una pluralidad de cartuchos de células de combustible 14. El alojamiento 12 define un montaje de sub-bastidor en la realización descrita.
El sistema de energía de células de combustible 10 está configurado para utilizar uno o más cartuchos de células de combustible 14. Se utilizan doce de tales cartuchos de células de combustible 14 en el sistema de energía de células de combustible 10 descrito en este documento. Como se describe más adelante, los cartuchos de células de combustible individuales 14 incluyen una pluralidad de células de combustible. En la configuración descrita, los cartuchos de células de combustible individuales 14 incluyen cuatro células de combustible.
Tales células de combustible pueden comprender células de combustible de membrana de electrolito de polímero (PEM). En la realización descrita, las células de combustible pueden comprender células de combustible de montaje de electrodo de membrana (MEA) o células de combustible de montaje de difusión de electrodo de membrana (MEDA). Más detalles de una configuración de células de combustible y cartuchos de células de combustible 14 se describen en una solicitud de patente de EE.UU. pendiente de tramitación de Nº de serie 08/979.853, titulada "A Proton Exchange Membrane Fuel Cell Power System", presentada el 20 de noviembre de 1997, nombrando a William A. Fuglevand, Dr. Shiblihanna I. Bayyuk, Ph.D., Greg A. Lloyd, Peter D Devries, David R. Lott, John P. Scartozzi, Gregory M. Somers y Ronald G. Strokes como inventores, concedida al cesionario de la misma, teniendo el número de expediente WA23-002, e incorporada en este documento por referencia.
El alojamiento 12 incluye además una interfaz de operador 16. En la presente realización, la interfaz de operador 16 incluye una pantalla 18 y conmutadores de interfaz 20. La interfaz de operador 16 está configurada para indicar el funcionamiento del sistema de energía de células de combustible 10 y también permitir que un operador controle diversas funciones del sistema de energía de células de combustible 10.
La pantalla 18 de la interfaz de operador 16 está configurada para emitir una señal perceptible por el hombre, como señales visibles, para indicar el funcionamiento del sistema de energía de células de combustible 10. En la realización representada, la pantalla 18 comprende una pluralidad de grupos de gráficos de barras de diodos emisores de luz (LED) para indicar las condiciones de funcionamiento de los cartuchos de células de combustible respectivos 14. En una configuración, los grupos de gráficos de barras individuales de la pantalla 18 indican voltajes alto y bajo de las células de combustible dentro del cartucho de células de combustible correspondiente 14.
Los conmutadores de interfaz 20 permiten que un usuario controle las operaciones del sistema de energía de células de combustible 10. Por ejemplo, puede estar provisto un conmutador de interfaz 20 para permitir que un usuario encienda el sistema de energía de células de combustible 10. Además, otro conmutador de interfaz 20 puede incluir un conmutador de activación de carga que permite que un usuario aplique selectivamente energía desde el sistema de energía de células de combustible 10 a una carga 22 conectada con el sistema de energía de células de combustible 10. Otro conmutador de interfaz 20 puede controlar una función de reposición del cartucho descrita más adelante.
Haciendo referencia a la Fig. 2, se muestran algunos componentes del sistema de energía de células de combustible 10. Los componentes son internos y externos al alojamiento 12 del sistema de energía de células de combustible 10. Internamente, sólo se muestran tres cartuchos de células de combustible 14 por propósitos de discusión en este documento. En las configuraciones típicas están provistos más cartuchos de células de combustible 14.
El sistema de energía de células de combustible 10 se muestra conectado con un dispositivo remoto 24. El sistema de energía de células de combustible 10 está configurado preferentemente para comunicarse con el dispositivo remoto 24. Un dispositivo remoto ejemplar 24 comprende una estación de control y monitorización externa. El sistema de energía de células de combustible 10 recibe comunicaciones del dispositivo remoto 24 que pueden comprender datos y órdenes. El sistema de energía de células de combustible 10 también está configurado para generar datos, solicitudes, etc. para el dispositivo remoto 24.
Los componentes representados incluyen los cartuchos de células de combustible plurales 14 y la interfaz de operador 16 analizados anteriormente. Además, el sistema de energía de células de combustible 10 incluye un sistema de control 30. Una configuración del sistema de control 30 se describe más detalladamente más adelante. El sistema de control ilustrado 30 está conectado con un sensor de suministro de energía 31 asociado con un suministro de energía 32, y el conjunto de circuitos de carga 34. El sistema de control 30 además está conectado con los cartuchos de células de combustible 14 y la interfaz de operador 16. Además, el sistema de control 30 está conectado con un puerto de comunicación 36, un dispositivo conmutador 38 y un sensor de corriente 40. El sistema de control 30 además está conectado con un solenoide de purga 42 asociado con una válvula de purga 43.
El sistema de energía de células de combustible representado 10 incluye un sistema de suministro de combustible 28. El sistema de suministro de combustible 28 se conecta con un suministro de combustible 23 para suministrar combustible a los cartuchos de células de combustible 14. En la realización descrita, el combustible ejemplar comprende gas hidrógeno. Pueden ser posibles otros combustibles.
El sistema de suministro de combustible representado 28 incluye una válvula principal 47 y válvulas auxiliares plurales 45 asociadas con cartuchos de células de combustible respectivos 14. La válvula principal 47 controla el flujo de combustible del suministro de combustible 23 al sistema de energía de células de combustible 10. Las válvulas auxiliares 45 controlan el flujo de combustible a los cartuchos de células de combustible respectivos 14. El sistema de control 30 está conectado con solenoides auxiliares plurales 44 de las válvulas auxiliares asociadas 45. El sistema de control 30 además está conectado con un solenoide principal 46 de la válvula principal asociada 47.
El sistema de energía de células de combustible representado 10 incluye un montaje de control de temperatura del aire 50. El montaje de control de temperatura del aire ilustrado 50 incluye una cámara impelente 51 que tiene puertos asociados 52 que corresponden a los cartuchos de células de combustible 14. Dentro de la cámara impelente 51 del montaje de control de temperatura del aire 50, están provistos un elemento modificador de temperatura 53, un ventilador 54, un sensor de temperatura 55 y un sensor de combustible 61.
Un dispositivo de flujo de aire controlable o conducto de aire 56 conecta la cámara impelente 51 al aire ambiente exterior fuera del alojamiento 12. El conducto de are 56 puede permitir la admisión de aire dentro de la cámara impelente 51 así como el escape de aire de la cámara impelente 51. El sistema de control 30 está conectado con el conjunto de circuitos de control 51 del elemento modificador 53, el conjunto de circuitos de control 48 y el conjunto de circuitos de monitorización 49 del ventilador 54, el conjunto de circuitos de temperatura 68 asociados con el sensor de temperatura 55, el conjunto de circuitos de control 57 del conducto de aire 56, y el calentador 75 del sensor de combustible 61.
Un primer sensor de combustible 58 está provisto dentro del alojamiento 12 y fuera de la cámara impelente 51 tal como se muestra. El primer sensor de combustible 58 es utilizable para monitorizar la presencia de combustible dentro del alojamiento 12. Un segundo sensor de combustible 61 está provisto dentro de la cámara impelente 51 para monitorizar la presencia de combustible dentro de la cámara impelente 51. El sistema de control 30 está configurado para conectarse con el conjunto de circuitos de detección de combustible 64 asociados con los sensores de combustible 58, 61. El conjunto de circuitos de detección de combustible 64 puede condicionar las mediciones obtenidas de los sensores 58, 61.
Los calentadores 74, 75 están conectados con sensores de combustible respectivos 58, 61 para proporcionar calentamiento selectivo de los sensores de combustible 58, 61 en respuesta al control desde el sistema de control 30. Los calentadores 74, 75 forman parte integral de los sensores de combustible 58, 61 en algunas configuraciones. Una configuración de sensor de combustible ejemplar con un calentador integral tiene la designación TGS 813 comercializado por Figaro Engineering, Inc. Tales calentadores están provistos preferentemente en un intervalo de temperatura predefinido para asegurar un funcionamiento correcto. Son posibles otras configuraciones de sensores 58, 61.
Un sensor de temperatura externa 59 está provisto fuera del alojamiento 12 en una realización. El sistema de control 30 también está conectado con el conjunto de circuitos de temperatura 67 asociados con el sensor de temperatura 59 para monitorizar la temperatura exterior. El conjunto de circuitos de temperatura 67 condiciona las señales recibidas del sensor de temperatura 59.
El sistema de control 30 está configurado para al menos uno de controlar y monitorizar al menos un funcionamiento del sistema de energía de células de combustible 10. Durante el funcionamiento, el combustible procedente del suministro de combustible 23 es aplicado a la válvula principal 47. La válvula principal 47 está conectada con válvulas auxiliares 45 tal como se muestra. En respuesta al control desde el sistema de control 30, la válvula principal 47 y las válvulas auxiliares 45 aplican combustible a cartuchos de células de combustible respectivos 14. En respuesta al suministro de combustible, y en presencia de oxígeno, los cartuchos de células de combustible 14 producen energía eléctrica.
Una barra colectora de energía 60 conecta los cartuchos de células de combustible 14 en serie. La barra colectora de energía 60 está conectada con terminales externos 62, 63 que pueden estar conectados con una carga externa 22 (mostrada en la Fig. 1). El terminal 62 proporciona un terminal positivo y el terminal 63 proporciona un terminal negativo del sistema de energía de células de combustible 10.
El montaje de control de temperatura del aire 50 aplica oxígeno a los cartuchos de células de combustible respectivos 14 a través de los puertos 52. Los cartuchos de células de combustible 14 se pueden utilizar individualmente para convertir energía química en electricidad. Como se describe más adelante, los cartuchos de combustible 14 contienen individualmente células de combustible plurales que tienen individualmente un lado de ánodo y un lado de cátodo. Las válvulas auxiliares 45 aplican combustible a los lados de ánodo de las células de combustible. La cámara impelente 51 dirige el aire dentro de los lados de cátodo de las células de combustible.
El montaje de control de temperatura del aire 50 proporciona preferentemente aire circulado dentro de un intervalo de temperatura predeterminado. Tal aire circulado puede ser aire exterior y/o aire recirculado. En la realización preferida, el montaje de control de temperatura del aire 50 proporciona aire dentro de la cámara impelente 51 dentro de un intervalo de temperatura aproximado de 25º Celsius a 80º Celsius.
Tras las condiciones de arranque del sistema de energía de células de combustible 10, el elemento modificador 53 puede ser controlado por medio del sistema de control 30 usando el conjunto de circuitos de control del elemento 41 para incrementar o disminuir la temperatura del aire presente dentro de la cámara impelente 51, El ventilador 54 funciona para hacer circular el aire del interior de la cámara impelente 51 hacia los cartuchos de células de combustible respectivos 14. El conjunto de circuitos de control del ventilador 48 y el conjunto de circuitos de monitorización del ventilador 49 se muestran conectados con el ventilador 54. En respuesta al control desde el sistema de control 30, el conjunto de circuitos de control del ventilador 48 funciona para controlar los caudales de aire (por ejemplo, la velocidad de rotación) del ventilador 54. El conjunto de circuitos de monitorización del ventilador 49 funciona para monitorizar los caudales de aire reales inducidos por el ventilador 54 (por ejemplo, el conjunto de circuitos 4 9 puede comprender un tacómetro para configuraciones de rotación del ventilador).
El sistema de control 30 monitoriza la temperatura del aire del interior de la cámara impelente 51 usando el sensor de temperatura 55. Durante el funcionamiento, se genera y se emite calor desde los cartuchos de células de combustible 14. Por lo tanto, puede ser necesario disminuir la temperatura del aire del interior de la cámara impelente 51 para proporcionar funcionamiento eficiente del sistema de energía de células de combustible 10. En respuesta al control desde el sistema de control 30, el conducto de aire 56 puede ser utilizado para introducir aire exterior dentro de la cámara impelente 51 y expulsar aire desde la cámara impelente 51 al ambiente.
El sistema de control 30 se comunica con el conjunto de circuitos de control 57 para controlar el conducto de aire 56. En una realización, el conducto de aire 56 incluye una pluralidad de paletas y el conjunto de circuitos de control 57 funciona para controlar la posición de las paletas del conducto de aire 56 para introducir selectivamente aire exterior dentro de la cámara impelente 51. Las paletas del conducto de aire 56 pueden estar provistas preferentemente en una pluralidad de orientaciones entre una posición abierta y una posición cerrada para variar la cantidad de aire puro exterior introducido dentro de la cámara impelente 51 o la cantidad de aire expulsado desde la cámara impelente 51 en respuesta al control desde el sistema de control 30. El aire circulado dentro de la cámara impelente 51 puede comprender aire recirculado y/o aire ambiente puro.
Utilizando el sensor de temperatura 59, el sistema de control 30 también puede monitorizar la temperatura del aire ambiente alrededor del alojamiento 12. El sistema de control 30 puede utilizar tal información de temperatura exterior procedente del sensor de temperatura 59 para controlar el funcionamiento del conducto de aire 56. El sensor de temperatura 59 está situado adyacente al conducto de aire 56 en una realización preferida.
Como se describe más detalladamente más adelante, el sistema de control 30 controla los caudales de aire del ventilador 54 usando el conjunto de circuitos de control del ventilador 48. El conjunto de circuitos de monitorización del ventilador 49 proporciona información de caudal de aire al sistema de control 30. El sistema de control 30 puede monitorizar el voltaje del sistema total que se suministra por medio de la barra colectora de energía 60 sumando los voltajes de las células individuales. El sistema de control 30 también puede monitorizar la carga eléctrica que se suministra a través de la barra colectora de energía 60 usando el sensor de corriente 40. Con el conocimiento del voltaje y la carga de la barra colectora del sistema, el sistema de control 30 puede calcular la energía térmica residual y proporcionar un flujo de aire de refrigeración deseado.
Más específicamente, la eficiencia de una o más células de combustible puede determinarse dividiendo el voltaje de la célula de combustible respectiva por 1,23 (un voltaje máximo teórico de una sola célula de combustible). Puede determinarse una eficiencia media para todas las células de combustible 90 del sistema de energía de células de combustible 10. La energía restante (energía no asociada a la electricidad) tal como se determina a partir del cálculo de eficiencia es energía térmica residual. La energía térmica residual determinada puede utilizarse para proporcionar un flujo de aire de refrigeración deseado. El sistema de control 30 controla los caudales de aire del ventilador 54 dependiendo de la energía térmica residual de acuerdo con un aspecto del sistema de energía de células de combustible descrito 10.
Durante el funcionamiento de los cartuchos de células de combustible 14, los diluyentes no combustibles como el agua del lado del cátodo y los constituyentes atmosféricos pueden difundirse desde el lado del cátodo de la célula de combustible a través de un montaje de electrodo de membrana de la célula de combustible y acumularse en el lado del ánodo de la célula de combustible. Además, las impurezas del suministro de combustible suministradas directamente al lado del ánodo de la célula de combustible también se acumulan. Sin intervención, estos diluyentes pueden diluir el combustible lo suficiente para degradar el rendimiento. Por consiguiente, el lado del ánodo de las células de combustible individuales está conectado a un colector de purga 65. El colector de purga 65 además está conectado con la válvula de purga 43.
El sistema de control 30 hace funcionar selectivamente el solenoide de purga 42 para abrir y cerrar selectivamente la válvula de purga 43 permitiendo la expulsión de materia como los diluyentes arrastrados y quizá algo de combustible a través de un escape de purga 66 dentro del alojamiento 12. El sistema de control 30 puede funcionar para abrir y cerrar la válvula de purga 43 según una base periódica. La frecuencia de aperturas y cierres de la válvula de purga 4 3 puede determinarse mediante varios factores, como la carga eléctrica conectada con los terminales 62, 63, etc. Aunque no se muestra, un sistema de recuperación de combustible puede estar conectado con el escape de purga 66 para recuperar el combustible sin usar para recirculación u otros usos.
A continuación de una condición de arranque introducida por medio de la interfaz o desde el dispositivo remoto 24, el sistema de control 30 controla selectivamente el dispositivo conmutador 38 para conectar la barra colectora de energía 60 con el terminal positivo 62. El dispositivo conmutador 38 puede comprender conmutadores MOSFET paralelos para conectar selectivamente la barra colectora de energía 60 con una carga externa 22.
Por ejemplo, el sistema de control 30 puede verificar cuándo se ha alcanzado una temperatura operacional apropiada dentro de la cámara impelente 51 utilizando el sensor de temperatura 55. Además, el sistema de control 30 puede verificar que se ha alcanzado al menos una característica eléctrica, como el voltaje y/o la corriente, de los cartuchos de células de combustible respectivos 14 antes de cerrar el dispositivo conmutador 38 para conectar la barra colectora de energía 60 con una carga asociada 22. Tal verificación proporciona un funcionamiento correcto del sistema de energía de células de combustible 10 antes de conectar la barra colectora 60 con una carga externa 22.
El suministro de energía 32 incluye suministros de energía que tienen diferentes potenciales de voltaje en la realización descrita. Por ejemplo, el suministro de energía 32 puede proporcionar un voltaje de alimentación de 5 voltios para hacer funcionar el conjunto de circuitos digitales del sistema de energía de células de combustible 10, como el sistema de control 30. El suministro de energía 32 también puede proporcionar potenciales de voltaje superiores, como +/- 12 voltios para el funcionamiento de componentes como el ventilador 54 dentro del sistema de energía de células de combustible 10.
Además, el suministro de energía 32 puede incluir una batería que alimenta a los componentes durante los procedimientos de arranque. A continuación de los procedimientos de arranque, el suministro de energía 32 puede ser conectado con la barra colectora de energía 60 y la energía interna utilizada por el sistema de energía de células de combustible 10 puede obtenerse de la energía eléctrica generada desde los cartuchos de células de combustible 14. El conjunto de circuitos de carga 34 está provisto para cargar selectivamente las baterías del suministro de energía 32 utilizando energía procedente de la barra colectora de energía 60. El sistema de control 30 está configurado para monitorizar las condiciones eléctricas de las baterías y los voltajes suministrados del suministro de energía 32 usando sensores de suministro de energía 31. El sistema de control 30 puede hacer funcionar el conjunto de circuitos de carga 34 para cargar las baterías del suministro de energía 32 dependiendo de tales operaciones de monitorización.
El sistema de control 30 también está conectado con el puerto de comunicación 36 que proporciona comunicaciones hacia un dispositivo externo como un dispositivo remoto 24. Un dispositivo remoto ejemplar 24 comprende un sistema de control externo o sistema de monitorización externo al sistema de energía de células de combustible 10. El sistema de control 30 puede generar datos que incluyen solicitudes, órdenes, condiciones de funcionamiento, etc., del sistema de energía de células de combustible 10 usando el puerto de comunicación 36. Además, el sistema de control 30 puede recibir datos que incluyen órdenes, solicitudes, etc., procedentes del dispositivo remoto 24 usando el puerto de comunicación 36.
Haciendo referencia ahora a la Fig. 3, se muestra un cartucho de células de combustible ejemplar 14. Más detalles del cartucho de células de combustible 14 se desvelan detalladamente en la solicitud de patente de EE.UU. de Nº de serie 08/979.853 incorporada por referencia anteriormente. El cartucho de células de combustible representado 14 incluye un bastidor de distribución de combustible 70 y un montaje de aplicación de fuerza que incluye tapas de cátodo plurales 71 que ocultan parcialmente cavidades respectivas que alojan montajes de electrodo de membrana (MEA) o montajes de difusión de electrodo de membrana (MEDA) dentro del bastidor de distribución de combustible 70. El cartucho de células de combustible representado 14 incluye cuatro células de combustible (mostrados individualmente como el número de referencia 90 en la Fig. 4). Son posibles otras configuraciones.
Las tapas de cátodo respectivas 71 cooperan individualmente o se conectan unas con otras de otro modo, y con el bastidor de distribución de combustible 70. Las aberturas individuales 72 que están definidas por la tapa de cátodo, definen pasajes 73 que permiten que el aire procedente de la cámara impelente 51 circule hacia el lado del cátodo del montaje de difusión de electrodo de membrana contenido dentro del bastidor de distribución de combustible 70. La circulación de aire a través del cartucho de células de combustible 14 se analiza con significativo detalle en la solicitud de patente de EE.UU. de Nº de serie 08/979.853 incorporada por referencia anteriormente.
Los miembros conductores 63 se extienden hacia fuera desde un cuerpo principal de las células de combustible individuales dentro del cartucho de células de combustible 14. Los miembros conductores 63 están diseñados para extenderse a través de espacios o aberturas respectivas que están provistas en el bastidor de distribución de combustible 70. Cada miembro conductor 63 es recibido entre y después de ello conectado eléctricamente con pares de contactos conductores que están montados en una pared posterior de un sub-bastidor descrito con mayor detalle más adelante.
El cartucho de células de combustible 14 es utilizable para ser conectado eléctricamente en serie con una pluralidad de otros cartuchos de células de combustible 14 por medio de un sub-bastidor que está indicado en general por el número 76. El sub-bastidor 76 tiene un cuerpo principal 77 que tiene partes superior e inferior 78, 79, respectivamente. Las partes superior e inferior están unidas entre sí por una pared posterior 80. En las partes superior e inferior 78, 79 están formados individualmente canales alargados 81 y se pueden utilizar para recibir de manera deslizante espinas individuales 74 que están formadas sobre el bastidor de distribución de combustible 70.
El sub-bastidor 76 está hecho de varias partes de imagen especular 85, que cuando se juntan entre sí, forman el cuerpo principal 77 del sub-bastidor 76. Estas partes de imagen especular 85 están fabricadas de un sustrato dieléctrico moldeable. La barra colectora de energía 80 está fijada sobre la pared posterior 80 del sub-bastidor 90. Un patrón repetitivo de ocho pares de contactos conductores 84 está unido sobre la pared posterior 80 y están conectados con la barra colectora de energía 60. El acoplamiento eléctrico de las células de combustible dentro del cartucho de células de combustible 14 con la barra colectora de energía 60 se implementa usando contactos 84 en la realización descrita.
El primer y segundo conductos 86, 87 también están unidos a la pared posterior 80 y son utilizables para conectar de manera coincidente en relación de flujo de fluido al bastidor de distribución de combustible 70. El primer y segundo conductos respectivos 86, 87 se extienden a través de la pared posterior 80 y conectan con conductos externos adecuados (no mostrados). El primer conducto 86 está conectado en relación de flujo de fluido con el suministro de combustible 23 (Fig. 1) y con lados de ánodo de células de combustible internas. Además, el segundo conducto 87 exhausta desde los lados de ánodo de las células de combustible hacia el colector de purga 65 (Fig. 2).
Los cartuchos de células de combustible individuales 14 pueden ser desactivados selectivamente. Por ejemplo, los cartuchos de células de combustible 14 son físicamente desmontables individualmente del sistema de energía de células de combustible 10. Puede desearse la extracción de uno o más cartuchos de células de combustible 14 para mantenimiento, sustitución, etc. de los cartuchos de células de combustible 14. Los cartuchos de células de combustible restantes 14 y las células de combustible internas de los mismos pueden seguir suministrando energía a una carga asociada 22 con uno o más de los cartuchos de células de combustible 14 desactivados.
Los contactos individuales 84 pueden configurarse para mantener la continuidad eléctrica de la barra colectora 60 tras la extracción física de un cartucho de células de combustible 14 de un sub-bastidor asociado 76. Tal como se muestra, los contactos individuales 84 comprenden hacer antes de la rotura contactos que incluyen individualmente miembros conductores plurales configurados para recibir un contacto asociado 69 de un cartucho de células de combustible 14. Los contactos individuales 69 pueden comprender una espiga o cuchilla. Tras la extracción física del cartucho de células de combustible 14 y los terminales correspondientes 69, los miembros conductores de los contactos 84 son conectados mecánicamente entre sí para mantener un circuito cerrado dentro de los terminales intermedios 62, 63 de la barra colectora 60. Tal hecho mantiene un suministro de energía eléctrica a la carga 22 conectada con los terminales 62, 63 durante la extracción de uno o más cartuchos de células de combustible 14 del sistema de energía de células de combustible 10.
Haciendo referencia a la Fig. 4, se muestra una representación esquemática de cuatro células de combustible 90 de un cartucho de células de combustible 14. Las células de combustible individuales 90 tienen contactos plurales 84 como se describió anteriormente. Las células de combustible 90 típicamente son conectadas en serie usando la barra colectora de energía 60. El sistema de control 30 está configurado para monitorizar al menos una característica eléctrica de las células de combustible individuales 90 usando el conjunto de circuitos de análisis 91 en la realización descrita.
Más específicamente, el conjunto de circuitos de análisis 91 incluye un sensor de voltaje 92 que puede estar provisto conectado eléctricamente con contactos 84 tal como se muestra. Tal acoplamiento permite al sensor de voltaje 92 monitorizar los voltajes de las células de combustible respectivas individuales 90. Se ha observado que las células de combustible 90 producen típicamente un voltaje útil de aproximadamente 0,45 a aproximadamente 0,7 voltios de CC bajo una carga típica.
Una configuración ejemplar del sensor de voltaje 92 se implementa como un amplificador diferencial para monitorizar voltajes. El sensor de voltaje 92 está configurado preferentemente para monitorizar la magnitud del voltaje a través de las células de combustible individuales 90 así como la polaridad de las células de combustible individuales 90.
El conjunto de circuitos de análisis 91 puede incluir además sensores de corriente plurales 94, 97. En una disposición alternativa (no mostrada), los sensores de corriente individuales pueden estar conectados con contactos 84 de células de combustible individuales 90 para monitorizar la corriente que circula por las células de combustible individuales respectivas 90. El sistema de control 30 está conectado con sensores de corriente 94, 97 y está configurado para monitorizar las corrientes respectivas correspondientes a través de células de combustible 90 y generadas para la carga 22 por la barra colectora 60.
El sensor de corriente 94 está conectado intermedio a una de las células de combustible 90 y un acoplamiento con suministro de energía interno 93. El sensor de corriente 94 está conectado intermedio al acoplamiento con el suministro de energía interno 93 y el terminal externo 62 conectado con una carga asociada.
A continuación de las operaciones de arranque, se proporciona energía para uso interno dentro del sistema de energía de células de combustible 10 (por ejemplo, energía proporcionada al conjunto de circuitos del sistema de control 30) desde los cartuchos de células de combustible 14. El suministro de energía interno 93 extrae corriente de la barra colectora 60 tal como se muestra para proporciona energía interna al sistema de energía de células de combustible 10.
Por consiguiente, el sensor de corriente 94 proporciona información respecto al flujo de corriente a través de los cartuchos de células de combustible conectados en serie 14. El sensor de corriente 97 proporciona información respecto al flujo de corriente a una carga conectada con el terminal 62 (es decir, la carga 22 mostrada en la Fig. 1).
También están provistos dispositivos conmutadores plurales 96 que corresponden a células de combustible respectivas 90. Los dispositivos conmutadores 96 pueden estar provistos individualmente intermedios a los contactos 84 de células de combustible respectivas 90 tal como se ilustra. En la configuración representada, los dispositivos conmutadores pueden comprender dispositivos MOSFET. Los electrodos de compuerta de los dispositivos conmutadores 96 están conectados con el sistema de control 30.
El sistema de control 30 es utilizable para poner en derivación selectivamente los electrodos 84 usando los dispositivos conmutadores 96 que corresponden a una o más de las células de combustible deseadas 90 para derivar eléctricamente o desactivar tales células de combustible 90. Por ejemplo, si el sistema de control 30 observa que una característica eléctrica (por ejemplo, el voltaje) de una célula de combustible 90 tal como es detectada por los sensores 92, 94 está por debajo de un intervalo deseado, el sistema de control 30 puede ordenar a un dispositivo conmutador respectivo 96 que encienda y ponga en derivación la célula de combustible respectiva 90. Además, las células de combustible individuales 90 pueden ser puestas en derivación selectivamente usando dispositivos conmutadores respectivos 96 para aumentar el rendimiento de las células de combustible 90.
En una configuración, las células de combustible 90 pueden ser puestas en derivación según un ciclo de servicio. El ciclo de servicio puede ser ajustado por el sistema de control 30 dependiendo del funcionamiento de los cartuchos de células de combustible 14 y el sistema de energía de células de combustible 10. Las células de combustible 90 pueden ser puestas en derivación en orden secuencial según determine el sistema de control 30. La puesta en derivación también es útil durante las operaciones de arranque para generar calor dentro del alojamiento 12 para llevar al sistema de energía de células de combustible 10 hasta la temperatura de funcionamiento de una manera conveniente.
Alternativamente, las células de combustible individuales 90 pueden ser puestas en derivación durante periodos de tiempo prolongados si el sistema de control 30 observa que tales células de combustible están funcionando por debajo de los intervalos deseados (por ejemplo, condiciones de bajo voltaje, condiciones de polaridad inversa). Las operaciones de puesta en derivación se analizan en la solicitud de patente de EE.UU. pendiente de tramitación de Nº de serie 09/108.667, titulada "Improved Fuel Cell and Method for Controlling Same", presentada el 1 de julio de 1998, nombrando a William A. Fuglevand, Peter D. Devries, Greg A. Lloyd, David R. Lott, y John P. Scartozzi como inventores, cedida al cesionario de la misma, que tiene el número de expediente WA23-005, e incorporada en este documento por referencia.
Haciendo referencia a la Fig. 5, se ilustra una configuración del sistema de control 30. En la disposición representada, el sistema de control 30 incluye un sistema de control distribuido que incluye una pluralidad de controladores 100-120. En la realización descrita, los controladores individuales 100-120 comprenden microcontroladores programables. Microcontroladores ejemplares tienen la designación comercial MC68HC705P6A, comercializados por Motorola, Inc. En la realización descrita, los controladores 100-120 comprenden individualmente un controlador configurado para ejecutar instrucciones proporcionadas dentro de código ejecutable. En una configuración alternativa, las etapas descritas con referencia a las Figs. 16-28 de más adelante se implementan dentro de hardware.
Los controladores individuales pueden incluir memoria de acceso aleatorio (RAM), memoria de sólo lectura (ROM), convertidores analógico-digitales (A/D), comunicaciones por puerto de entrada/salida en serie (SIOP), temporizadores, entrada/salida (I/O) digital, interrupciones de temporizador e interrupciones externas. Los controladores individuales 102-120 tienen un conjunto de circuitos de procesamiento digital interno configurado para ejecutar un conjunto de instrucciones de software o firmware. Tales instrucciones pueden ser almacenadas dentro de la memoria de sólo lectura interna de los controladores respectivos 100-120. Son posibles otras configuraciones del sistema de control 30.
Entre otras funciones, el controlador maestro 100 funciona como enrutador de comunicación para implementar comunicaciones intermedias al controlador maestro 100 y los controladores esclavos individuales 102-120. En la realización descrita, las comunicaciones se implementan en un modo dúplex integral limitado. Pueden utilizarse otros protocolos de comunicación.
El controlador maestro 100 genera mensajes para los controladores esclavos 102-120. Los mensajes generados son vistos por todos los controladores esclavos 102-120. Los esclavos individuales 102-120 identificados por el mensaje saliente procesan el mensaje correspondiente. Después de esto, los controladores esclavos receptores 102-120 pueden generar un mensaje para el controlador maestro 100. Además, el controlador maestro 100 puede interrogar secuencialmente a los controladores esclavos 102-120 para determinar si tales controladores esclavos 102-120 tienen comunicaciones para el controlador maestro 100. El controlador maestro 100 también puede suministrar información de reloj a los controladores esclavos 102-120 para establecer una referencia de sincronización común dentro del sistema de control 30.
Los controladores esclavos individuales 102-120 realizan tareas especificas en el sistema de control 30 que incluye una pluralidad de controladores distribuidos. Los controladores esclavos individuales 102-120 pueden monitorizar funciones especificadas del sistema de energía de células de combustible 10 e informar al controlador maestro 100. Además, el controlador maestro 100 puede dirigir las operaciones de los controladores esclavos individuales 102-120.
Haciendo referencia a la Fig. 6, el controlador esclavo de análisis de cartucho 102 está conectado con el controlador maestro 100 y el conjunto de circuitos asociado. En particular, el controlador esclavo de análisis de cartucho 102 está conectado con el conjunto de circuitos de análisis 91 que a su vez está conectado con las células de combustible 90 y la barra colectora de energía 60, como se describió previamente. Utilizando el sensor de voltaje 92 y el sensor de corriente 94 del conjunto de circuitos de análisis 91, el controlador esclavo de análisis de cartucho 102 puede monitorizar características eléctricas como el voltaje de células de combustible individuales 90 así como la corriente que pasa por las células de combustible 90. Además, el controlador esclavo de análisis de cartucho 102 puede monitorizar la corriente que circula por la barra colectora de energía 60 hacia la carga 22 usando el sensor de corriente 97 del conjunto de circuitos de análisis 91. Como se describe más adelante, el controlador esclavo de análisis de cartucho 102 puede comunicar tales características eléctricas al controlador maestro 100.
Haciendo referencia a la Fig. 7, el controlador esclavo de válvula auxiliar 104 se muestra conectado con el controlador maestro 100 y los solenoides auxiliares 44 y el solenoide de purga 42. A su vez, los solenoides auxiliares 44 están conectados con las válvulas auxiliares 45 y el solenoide de purga 42 está conectado con la válvula de purga 43 como se analizó anteriormente. En respuesta a las comunicaciones de control procedentes del controlador maestro 100, el controlador esclavo de válvula auxiliar 104 está configurado para accionar los solenoides auxiliares 44 y el solenoide de purga 42 para controlar las válvulas auxiliares 45 y la válvula de purga 43, respectivamente.
Haciendo referencia a la Fig. 8, el controlador esclavo de ventilador 106 está conectado con el conjunto de circuitos de control del ventilador 48 y el conjunto de circuitos de monitorización del ventilador 49. Como se describió anteriormente, el conjunto de circuitos de control del ventilador 48 y el conjunto de circuitos de monitorización del ventilador 49 están conectados individualmente con el ventilador 54. Tras recibir la instrucción desde el controlador maestro 100, el controlador esclavo de ventilador 196 es utilizable para controlar el funcionamiento del ventilador 54 usando el conjunto de circuitos de control del ventilador 48. Por ejemplo, el controlador esclavo de ventilador 106 controla los modos de funcionamiento encendido/apagado del ventilador 54 y el caudal de aire del ventilador 54. Usando el conjunto de circuitos de monitorización del ventilador 49, el controlador esclavo de ventilador 106 puede monitorizar el funcionamiento del ventilador 54. El controlador esclavo de ventilador 106 puede generar información de estado del ventilador (por ejemplo, RPM para un ventilador rotativo) para el controlador maestro 100.
Haciendo referencia a la Fig. 9, el controlador esclavo de interfaz 108 está conectado con el controlador maestro 100 y la interfaz de operador 16. El controlador maestro 100 suministra información de estado de funcionamiento procedente de otros controladores esclavos al controlador esclavo de interfaz 108. Después, el controlador esclavo de interfaz 108 puede controlar la interfaz de operador 16 para transmitir tal información de estado a un operador. Indicaciones ejemplares pueden incluir un grupo de diodos emisores de luz (LED), una pantalla de gráficos de barras, un zumbador de advertencia acústica, etc.
Haciendo referencia a la Fig. 10, el controlador esclavo de puerto externo 110 está conectado con el puerto de comunicación 36 y la memoria 37 así como el controlador maestro 100. Como se describió previamente, el puerto de comunicación 36 además está conectado con un dispositivo remoto 24. El puerto de comunicación 36 y la memoria 37 funcionan para proporcionar comunicaciones bidireccionales intermedias al controlador esclavo de puerto externo 110 y el dispositivo remoto 24. Aunque la memoria 37 se muestra por fuera del controlador esclavo de puerto externo 110, en algunas configuraciones tal memoria 37 puede implementarse como un conjunto de circuitos internos del controlador esclavo de puerto externo 110.
La memoria 37 funciona para almacenar de manera intermedia los datos que pasan al dispositivo remoto 24 o los datos recibidos desde el dispositivo remoto 24 dentro del controlador esclavo de puerto externo 110. El controlador esclavo de puerto externo 110 funciona para enviar las comunicaciones recibidas al controlador maestro 100 según la sincronización del controlador maestro 100. El controlador esclavo de puerto externo 110 funciona para generar menajes desde el controlador maestro 100 hasta el dispositivo remoto 24 usando el puerto de comunicación 36 según un protocolo de comunicación acordado intermedio al controlador esclavo de puerto externo 110 y el dispositivo remoto 24.
Haciendo referencia a la Fig. 11, el controlador esclavo de sistema 112 está conectado con el controlador maestro 100 así como el solenoide principal 46, el conjunto de circuitos de carga 34, los sensores de suministro de energía 31, el sensor de corriente 40 y el conjunto de circuitos de control de elemento 41. En respuesta al control desde el controlador maestro 100, el controlador esclavo de sistema 112 es configurado para controlar el funcionamiento de la válvula principal 47 usando el solenoide principal 46. Además, en respuesta al control desde el controlador maestro 100, el controlador esclavo de sistema 112 puede cargar selectivamente una batería 35 del suministro de energía 30 usando el conjunto de circuitos de carga 34.
El controlador esclavo 112 puede implementar la carga de la batería 35 en respuesta a la información procedente de los sensores de suministro de energía 31. Los sensores de suministro de energía 31 proporcionan información de características eléctricas de la batería 35 y fuentes de alimentación internas 39 al controlador esclavo de sistema 112. Las fuentes de alimentación internas 39 del suministro de energía 32 incluyen la fuente de CC de 5 voltios y la fuente de CC de +/- 12 voltios descritas previamente.
Usando el sensor de corriente 40, el controlador esclavo de sistema 112 puede monitorizar la corriente que circula a través de la barra colectora de energía 60. Tal hecho proporciona información de carga y potencia de salida del sistema de energía de células de combustible 10 al controlador esclavo de sistema 112. Después, el controlador esclavo de sistema 112 puede proporcionar tal información de corriente y carga al controlador maestro 100.
El controlador esclavo de sistema 112 también está conectado con el conjunto de circuitos de control del elemento 41 utilizado para controlar el elemento modificador 53. Tal hecho es utilizado para controlar la temperatura dentro de la cámara impelente 51. El elemento modificador 53 puede ser controlado para proporcionar aire circulado dentro de la cámara impelente 51 dentro de un intervalo de temperatura de funcionamiento deseado. El elemento modificador 53 se utiliza ventajosamente en algunas situaciones de arranque para llevar la temperatura del interior de la cámara impelente 51 dentro del intervalo de funcionamiento de una manera conveniente.
Haciendo referencia a la Fig. 12, el controlador esclavo de sensor 114 está conectado con el controlador maestro 100, los calentadores 74, 75, el conjunto de circuitos de detección de combustible 64 y el conjunto de circuitos de temperatura 67. El conjunto de circuitos de detección de combustible 64 está asociado con sensores de combustible plurales 58, 61 provistos dentro del alojamiento 12 y la cámara impelente 51, respectivamente. El conjunto de circuitos de temperatura 67 está conectado con el sensor de temperatura 59 situado fuera del alojamiento 12. El esclavo sensor 114 puede controlar los calentadores 74, 75 para llevar selectivamente los sensores de combustible 58, 61 dentro de un intervalo de temperatura apropiado para el funcionamiento.
El conjunto de circuitos de detección de combustible 64 recibe datos procedentes de los sensores de combustible 58, 61 y puede condicionar tal información para aplicación al controlador esclavo de sensor 114. Si se detecta combustible usando los sensores de combustible 58, 61, el conjunto de circuitos de detección de combustible 64 puede procesar tal información y proporcionar tales datos al controlador esclavo de sensor 114. Tal información puede indicar la concentración del combustible detectado dentro del alojamiento 12 o la cámara impelente 51 usando los sensores de combustible 58, 61, respectivamente. A su vez, el controlador esclavo de sensor 114 puede proporcionar tal información al controlador maestro 100.
El sensor de temperatura 59 proporciona información respecto a la temperatura de los alrededores del sistema de energía de células de combustible 10. El conjunto de circuitos de temperatura 67 recibe señales generadas desde el sensor de temperatura 59 y puede condicionar tales señales para la aplicación al controlador esclavo de sensor 114 que monitoriza la temperatura externa. El controlador esclavo de sensor 114 puede proporcionar información de temperatura externa al controlador maestro 100.
Haciendo referencia a la Fig. 13, el controlador esclavo de temperatura de aire 116 está conectado con el controlador maestro 100 y el conjunto de circuitos de temperatura 68 y el conjunto de circuitos de control de conducto 57. El conjunto de circuitos de temperatura 68 está asociado con el sensor de temperatura 55 provisto dentro de la cámara impelente 51. El conjunto de circuitos de control de conducto 57 funciona para controlar el conducto de aire 56. Por ejemplo, el conjunto de circuitos de control de conducto 57 puede controlar la posición de las paletas del conducto de aire 56 en una realización ejemplar.
El sensor de temperatura 55 está colocado dentro de la cámara impelente 51 para monitorizar la temperatura del aire circulado dentro de la cámara impelente 51. El conjunto de circuitos de temperatura 68 recibe la información del sensor procedente del sensor de temperatura 55 y condiciona la información para aplicación al controlador esclavo de temperatura de aire 116. Después, el controlador esclavo de temperatura de aire 116 puede funcionar para generar la información de temperatura para el controlador maestro 100.
Durante el funcionamiento del sistema de energía de células de combustible 10, el controlador esclavo de temperatura de aire 116 funciona para controlar el flujo de aire dentro del alojamiento 12 usando el conducto de aire 56 así como la expulsión de aire del interior de la cámara impelente 51 al exterior del alojamiento 12. El controlador esclavo de temperatura de aire 116 controla el conducto de aire 56 usando el conjunto de circuitos de control de conducto 57 para mantener la temperatura del aire circulado dentro de la cámara impelente 51 dentro del intervalo de temperatura de funcionamiento deseado. Además, el elemento modificador 63 de la Fig. 11 puede ser controlado como se analizó previamente para subir o bajar la temperatura del aire circulado. Tal control del conducto de aire 56 por el controlador esclavo de temperatura de aire 116 puede ser en respuesta a la información procedente del sensor de temperatura 55 y el sensor de temperatura externa 59. Además, la información de eficiencia respecto a las células de combustible 90 puede calcularse mediante el controlador esclavo de temperatura de aire 116 para determinar la energía térmica residual. El conducto de aire 56 puede ser controlado en respuesta a la energía térmica residual calculada.
Haciendo referencia a la Fig. 14, el controlador esclavo de derivación 118 está conectado con el controlador maestro 100 y el conjunto de circuitos de control de conmutadores 95. Los dispositivos conmutadores plurales 96 están conectados con el conjunto de circuitos de control de conmutadores 95. Como se describió anteriormente, están provistos dispositivos conmutadores 96 para implementar la puesta en derivación selectiva de células de combustible respectivas 90 de los cartuchos de células de combustible 14. El controlador maestro 100 puede ser configurado para generar información de derivación para el controlador esclavo de derivación 118 para poner en derivación selectivamente usando los dispositivos conmutadores 96. Alternativamente, el controlador esclavo de derivación 118 puede ejecutar código almacenado internamente para proporcionar puesta en derivación selectiva controlada de los dispositivos conmutadores 96.
Tales operaciones de puesta en derivación de las células de combustible 90 pueden utilizarse para proporcionar mayor energía, para acelerar los procedimientos de arranque, para poner en derivación un cartucho de células de combustible defectuoso 14, y para monitorizar las pérdidas de combustible en realizaciones ejemplares. El conjunto de circuitos de control de conmutadores 95 está provisto para proporcionar acondicionamiento de las señales de control intermedias al controlador esclavo de derivación 118 y los dispositivos conmutadores 96.
Haciendo referencia a la Fig. 15, el controlador esclavo de conmutadores 120 está conectado con el controlador maestro 100 y el conjunto de circuitos de control de conmutadores 33 y el conjunto de circuitos de acondicionamiento de conmutadores 19. El conjunto de circuitos de control de conmutadores 33 está conectado con el dispositivo conmutador 38 provisto en serie con la barra colectora de energía 60. En respuesta al controlador maestro 100, el controlador esclavo de conmutadores 120 puede ordenar al conjunto de circuitos controladores de conmutadores 33 que controle el dispositivo conmutador 38. El dispositivo conmutador 38 proporciona acoplamiento selectivo de la barra colectora de energía 60 a una carga externa 22. Tal hecho puede utilizarse para asegurar el funcionamiento correcto del sistema de energía de células de combustible 10 antes de conectar la barra colectora de energía 60 con la carga 22.
El controlador esclavo de conmutadores 120 también puede monitorizar el estado de los conmutadores de interfaz de operador 20 que pueden ser configurados por un operador del sistema de energía de células de combustible 10. Conmutadores ejemplares incluyen el encendido/apagado del sistema de energía de células de combustible 10, la activación de la carga, la reposición del cartucho, etc. El conjunto de circuitos de acondicionamiento de conmutadores 19 puede filtrar las señales proporcionadas desde los conmutadores 20 y proporcionar información correspondiente respecto a la posición del conmutador al controlador esclavo de conmutadores 120. Después, el controlador esclavo de conmutadores 120 puede generar información de estado de conmutadores para el controlador maestro 100.
Haciendo referencia a las Figs. 16-16A, se muestra un organigrama que ilustra operaciones ejemplares del controlador maestro 100 del sistema de control 30. Inicialmente, el controlador maestro 100 realiza una comprobación de comunicación en la etapa S10. Las comprobaciones de comunicación pueden implementarse basándose en interrupciones periódicas para verificar las comunicaciones del controlador maestro 100 y los controladores esclavos 102-120.
En la etapa S12, el controlador maestro 100 determina si se descubrió un error de comunicación. Si está presente tal error, el controlador maestro 100 emite una orden de apagado a los controladores esclavos 102-120 en la etapa S14. Los controladores esclavos respectivos 102-120 implementan operaciones de apagado para llevar el sistema de energía de células de combustible 10 a una condición de apagado. El controlador esclavo de interfaz 108 puede indicar el estado de apagado usando la interfaz de operador 16. Además, el controlador maestro 100 puede ordenar al controlador esclavo de puerto externo 110 que avise al dispositivo remoto 24 de la condición de apagado.
Alternativamente, si en la etapa S12 no está presente ningún error de comunicación, el controlador maestro 100 ordena al controlador esclavo de sistema 112 que abra la válvula principal 47 en la etapa S16. Además, el controlador maestro 100 ordena al controlador esclavo de ventilador 106 que ponga en marcha el ventilador 54 en la etapa S16. En la etapa S18, el controlador maestro 100 ordena al controlador esclavo de válvula auxiliar 104 que abra las válvulas auxiliares 45 usando los solenoides auxiliares 44. A continuación, el controlador maestro 100 emite una orden al controlador esclavo de válvula auxiliar 104 para abrir la válvula de purga 43 usando el solenoide de purga 42 en la etapa S20. Después, el controlador maestro 100 puede ejecutar una subrutina de arranque tal como se expone en la Fig. 17 en la etapa S22. A continuación de la ejecución exitosa de la subrutina de arranque, el controlador maestro 100 genera una señal de activación de carga "preparada" para el controlador esclavo de conmutadores 120 en la etapa S24. El controlador esclavo de conmutadores 120 controla, usando el conjunto de circuitos de control de conmutadores 33, el dispositivo conmutador 38 para conectar la barra colectora de energía 60 con una carga externa.
En la etapa S26 de la Fig. 16A, el controlador maestro 100 extrae datos de los controladores esclavos 102-120. Más específicamente, el controlador maestro 100 puede recibir información desde el controlador esclavo de análisis de cartucho 102, el controlador esclavo de ventilador 106, el controlador esclavo de puerto externo 110, el controlador esclavo de sistema 112, el controlador esclavo de sensor 114, el controlador esclavo de temperatura de aire 116 y el controlador esclavo de conmutadores 120.
A continuación, el controlador maestro 100 pasa a la etapa S28 donde se determina si se ha emitido una solicitud de reposición de cartucho. Un operador puede implementar una condición de reposición de cartucho usando los conmutadores 20. Si se indica una reposición de cartucho, el controlador maestro 100 pasa a la etapa S30 y emite una orden en línea para cambiar el estado de todos los cartuchos de células de combustible fuera de línea 13 para que estén en línea. Después, el controlador maestro 100 inicia un ciclo de purga utilizando el controlador esclavo de válvula auxiliar 104 en la etapa S32. Durante el ciclo de purga, puede aplicarse combustible a cartuchos de células de combustible individuales 14 y la válvula de purga 43 puede abrirse para permitir operaciones de escape usando el colector de purga 65 y el escape de purga 66.
Si en la etapa S28 no se indica solicitud de reposición de cartucho, o después de que se inicie el ciclo de purga en la etapa S32, el controlador maestro 100 pasa a la etapa S34 para determinar si está presente un error de comunicación. Si está presente un error de comunicación, el controlador maestro 100 emite una orden de apagado en la etapa S36.
Si en la etapa S34 no está presente ningún error de comunicación, el controlador maestro 100 pasa a la etapa S38 para ejecutar una subrutina de error como se describe en las Figs. 18-18A más adelante. En la etapa S40, el controlador maestro 100 calcula parámetros de funcionamiento utilizando los datos obtenidos en la etapa S26. Basándose en los parámetros de funcionamiento calculados (por ejemplo, el ajuste del ventilador 54, el elemento modificador 53, etc.), el controlador maestro 100 envía los ajustes del sistema en la etapa S42 a los controladores esclavos apropiados 102-120.
Haciendo referencia a la Fig. 17, se describe una subrutina de arranque ejecutable por el controlador maestro 100. Inicialmente, se analizan los datos procedentes del controlador esclavo de sensor 114 para determinar si la temperatura dentro de la cámara impelente es inferior a 15º Celsius. Si sí lo es, el controlador maestro 100 conecta el elemento modificador 53 utilizando el controlador esclavo de sistema 112 en la etapa S52. Alternativamente, en la etapa S54 el controlador maestro 100 ordena al controlador esclavo de sistema 112 que desconecte el elemento modificador 53 dado el caso.
Después, el controlador maestro 100 pasa a la etapa S56 y ordena al controlador esclavo de derivación 118 que establezca un ciclo de servicio de puesta en derivación al máximo. En la etapa S58, el controlador maestro 100 recupera de nuevo la temperatura dentro de la cámara impelente 51 desde el controlador esclavo de temperatura de aire 116. En la etapa S58, el controlador maestro 100 determina si la temperatura dentro de la cámara impelente 51 es inferior a 30º Celsius. Si es así, el controlador maestro vuelve a la etapa S58 hasta que la temperatura dentro de la cámara impelente 51 sea igual o mayor que 30º Celsius. A continuación, en la etapa S60, el controlador maestro 100 puede calcular un nuevo ciclo de servicio para aplicación a los controladores esclavos de derivación 118. Después, el controlador maestro 100 regresa al conjunto principal de instrucciones descritas en las Figs. 16-16A.
Haciendo referencia a las Figs. 18-18A, se ilustra un organigrama que ilustra operaciones de error ejemplares del controlador maestro 100. Inicialmente, en la etapa S62, el controlador maestro 100 determina si el funcionamiento del ventilador es correcto. El controlador maestro 100 observa los datos procedentes del controlador esclavo de ventilador 106 y genera un mensaje de error de ventilador para el controlador esclavo de interfaz 108 en la etapa S64 si el funcionamiento del ventilador no es correcto. Después, en la etapa S66 se emite una orden de apagado para iniciar un procedimiento de apagado del sistema de energía de células de combustible 10.
En la etapa S68, se determina si los suministros de energía internos están funcionando correctamente. Más específicamente, el controlador maestro 100 se interrelaciona con el controlador esclavo de sistema 112 para determinar si los valores monitorizados por los sensores de suministro de energía 31 están dentro del intervalo. Si no lo están, el controlador maestro 100 envía un mensaje de error de suministro de energía al controlador esclavo de interfaz 108 en la etapa S70. Después, el controlador maestro 100 emite una orden de apagado en la etapa S72.
En la etapa S74, el controlador maestro 100 determina si el funcionamiento de las válvulas auxiliares es correcto. Tal hecho se determina por los datos recibidos del controlado esclavo de válvula auxiliar 104 respecto al estado de las válvulas auxiliares 45. Esto puede realizarse además monitorizando el voltaje de una célula de combustible desactivada 90. Debe obtenerse como resultado un voltaje cero si el funcionamiento de las válvulas auxiliares es correcto. El controlador maestro 100 genera un mensaje de error de válvula auxiliar en la etapa S76 para el controlador esclavo de interfaz 108 si el funcionamiento no es correcto. Tal mensaje de error puede ser visualizado después usando la interfaz de operador 16. En la etapa S78, el controlador maestro 100 emite una orden de apagado.
Alternativamente, el controlador maestro 100 pasa a la etapa S80 y determina si está presente una pérdida importante de combustible. Tal hecho se determina monitorizando los datos recibidos desde el controlador esclavo de sensor 114 en respuesta a la monitorización de los sensores de combustible 58, 61. Si se detecta una pérdida importante de combustible, el controlador maestro 100 envía un mensaje de error de pérdida importante de combustible al controlador esclavo de interfaz 108 en la etapa S82. Después, en la etapa S84 se emite una orden de apagado.
Si se determina que no hay pérdida importante de combustible, el controlador maestro 100 pasa a la etapa S86 para determinar si está presente una pérdida de combustible de poca importancia. En una configuración, una pérdida importante de combustible puede definirse como \geq 5000 ppm y una pérdida de combustible de poca importancia puede definirse como 1000-4999 ppm. En algunas aplicaciones, los intervalos pueden variarse para mayor o menor sensibilidad al combustible.
Si en la etapa S86 se determina una pérdida de combustible de poca importancia, el controlador maestro 100 pasa a la etapa S88 para intentar determinar si uno de los cartuchos de células de combustible 14 está defectuoso y el origen de la pérdida de combustible. Por consiguiente, en la etapa S88 se desactiva un primer cartucho de células de combustible 14. A continuación, el controlador maestro 100 intenta determinar si ha desaparecido la pérdida de combustible. La desactivación del cartucho de células de combustible 14 cesa el suministro de combustible al cartucho de células de combustible 14 usando la válvula auxiliar apropiada 45. Si se determina que la pérdida de combustible ha desaparecido, en la etapa S92 se envía un mensaje de error al controlador esclavo de interfaz 108 para transmisión a la interfaz de operador 16.
Si la pérdida de combustible permanece tal como se determina en la etapa S90, el controlador maestro 100 pasa a la etapa S94 para reactivar el cartucho de células de combustible previamente desactivado 14 y desactivar un cartucho de células de combustible posterior 14. En la etapa S96, el controlador maestro 100 determina si un índice ha conducido por el último cartucho de células de combustible 14. Si no es así, el controlador maestro 100 vuelve a las etapas S90-S94 para continuar con el análisis de pérdidas de poca importancia. Alternativamente, el controlador maestro 100 pasa a la etapa S98 e ignora la pérdida de poca importancia durante un periodo de tiempo especificado. Una vez que ha trascurrido el periodo de tiempo especificado, y que la pérdida de combustible aún está presente, el controlador maestro 100 puede emitir una orden de apagado que cesará el suministro de combustible desde el suministro de combustible 23 dentro del alojamiento 12 usando la válvula principal 47.
En la etapa S100, el controlador maestro 100 determina si hay un cartucho de células de combustible defectuoso 14. Si es así, el controlador maestro 100 apaga el suministro de combustible al cartucho de células de combustible defectuoso 14 usando la válvula auxiliar apropiada 45 en la etapa S102. Además, se aplica una orden de puesta en derivación todo el tiempo para el cartucho de células de combustible fallido 14 al controlador esclavo de derivación 118 en la etapa S104. En la etapa S106, el controlador maestro 100 envía un mensaje de error al controlador esclavo de interfaz 108 para transmisión usando la interfaz de operador 16.
En la etapa S108, el controlador maestro 100 determina sí actualmente están en línea suficientes cartuchos de células de combustible 14. En una disposición ejemplar, el controlador maestro 100 determina si están en línea menos de ocho cartuchos de células de combustible 14. Si no están en línea suficientes cartuchos, el controlador maestro 100 envía una orden de error en la etapa S110 al controlador esclavo de interfaz 108. Tal mensaje de error puede ser transmitido a un operador usando la interfaz de operador 16. A continuación, en la etapa S112, el controlador maestro 100 emite una orden de apagado para el sistema de energía de células de combustible 10. Si en la etapa S108 están en línea suficientes cartuchos de células de combustible 14, el controlador maestro 100 pasa al conjunto de instrucciones principal definido en el organigrama de las Figs. 16-16A.
Haciendo referencia a las Figs. 19-19B, se muestra aun organigrama que ilustra operaciones ejemplares del controlador esclavo de análisis de cartucho 102. Inicialmente, en la etapa S120, el controlador esclavo 102 pone un índice a una primera célula de combustible 90 dentro del sistema de energía de células de combustible 10. En la etapa S121 se borra un contador de transitorios descrito más adelante. El controlador esclavo 102 obtiene una lectura de voltaje de la célula de combustible indexada 90 en la etapa S122. En la etapa S124, el controlador esclavo 102 determina si la polaridad de la célula de combustible indexada 90 es correcta. Si no lo es, el controlador esclavo 102 pasa a la etapa S126 y pone a cero el voltaje de la célula de combustible indicada. Después, el voltaje para la célula de combustible indexada actualmente 90 se manda a un grupo de células de combustible en la etapa S134.
Alternativamente, si en la etapa S124 la polaridad de la célula de combustible indexada 90 es correcta, el controlador esclavo 102 determina si el voltaje es correcto en la etapa S128. Si no lo es, el controlador esclavo 102 incrementa un contador de transitorios de periodo de protección en la etapa S130. Después, el controlador esclavo 102 determina si el contador de transitorios está en un valor máximo en la etapa S132. Si no lo está, el controlador esclavo 103 vuelve a la etapa S122. Si el contador de transitorios ha alcanzado un valor máximo, el controlador esclavo 102 pasa a la etapa S134 para mandar el voltaje al grupo de células de combustible.
En la etapa S136, el controlador esclavo 102 determina si se ha puesto un índice a todas las células de combustible 90. Si no es así, el controlador esclavo 102 pone un índice a una célula de combustible siguiente 90 en la etapa S138 y después vuelve a la etapa S122. Si todas las células de combustible 90 han sido analizadas usando el conjunto de circuitos de análisis 91, el controlador esclavo 102 pasa a la etapa S140 para organizar las lecturas de las células de combustible en lecturas para cartuchos de células de combustible respectivos 14.
A continuación, el controlador esclavo 102 pasa a la etapa S141 para poner un índice a un primer cartucho de células de combustible 14. El controlador esclavo 102 pasa entonces a la etapa S142 para determinar si alguno de los cartuchos de células de combustible 14 fue provisto previamente en una condición de apagado o fuera de línea. Si es así, el controlador esclavo 102 pasa a la etapa S160 para determinar si se ha puesto un índice al último cartucho de células de combustible 14. Si no, el controlador esclavo 102 pasa a la etapa S144 para determinar si un voltaje de alguna de las células de combustible de un cartucho de células de combustible indexado actualmente 14 tiene una condición de voltaje inaceptable (por ejemplo, bajo voltaje). Si es así, el controlador esclavo 102 incrementa un contador de bajo voltaje en la etapa S146. A continuación, el controlador esclavo 102 pasa a la etapa S148 para determinar si el contador de bajo voltaje está en un valor máximo. Se selecciona el valor máximo que proporciona a la célula de combustible inaceptable una posibilidad de recuperar y proporcionar un voltaje aceptable durante un paso posterior a través del organigrama. Si el contador de bajo voltaje está en un máximo, el controlador esclavo 102 pasa a la etapa S150 para poner como desactivado el estado del cartucho de células de combustible indexado actualmente 14 (por ejemplo, apagado o fuera de línea). En la etapa S152, el controlador esclavo 102 ordena al controlador maestro 100 que corte el combustible al cartucho de células de combustible indexado actualmente 14. El controlador maestro 100 ordena a continuación al controlador esclavo de válvula auxiliar 104 que corte el combustible al cartucho de células de combustible respectivo 14. En la etapa S154, el controlador maestro 100 genera además una orden para el controlador esclavo de derivación 118 para poner en derivación el cartucho de células de combustible apropiado 14. También, el controlador maestro 100 puede generar el mensaje para el controlador esclavo de interfaz 108 para transmitir el estado del cartucho de células de combustible indexado actualmente 14 usando la interfaz de operador 16.
Si el cartucho de células de combustible indexado actualmente 14 tiene un voltaje correcto según se determina en la etapa S144, el controlador esclavo 102 pasa a la etapa S145 para borrar el contador de bajo voltaje. El controlador esclavo 102 asocia las células de combustible con valores respectivos del contador de bajo voltaje. El contador de bajo voltaje para una célula de combustible dada que se determinó previamente como inaceptable durante el paso actual por el organigrama se borra en la etapa S145 si en la etapa S144 el voltaje se considera aceptable.
El controlador esclavo 102 pasa a la etapa S156 para mandar a la memoria voltajes alto y bajo de las células de combustible del cartucho de células de combustible indexado actualmente 14. En la etapa S158, el controlador esclavo 102 genera la información de voltaje alto y bajo de las células de combustible del cartucho de células de combustible 14 para el controlador maestro 100. El controlador maestro 100 procesa los voltajes alto y bajo para el cartucho de células de combustible 14 y puede ordenar al controlador esclavo de interfaz 108 que muestre o transmita de otro modo los voltajes a un operador usando la interfaz de operador 16.
En la etapa S160, el controlador de interfaz 102 determina si se ha puesto un índice al último cartucho de células de combustible 14. Si no es así, el controlador esclavo 102 pone un índice a un cartucho de células de combustible siguiente 14 en la etapa S162 y después vuelve a la etapa S142. Si en la etapa S160 se ha puesto un índice al último cartucho de células de combustible, el controlador 102 pasa a la etapa S164 para determinar si demasiados cartuchos de células de combustible 14 están apagados (por ejemplo, menos de siete cartuchos de células de combustible 14 están apagados o fuera de línea). Si es así, en la etapa S166 el controlador esclavo 102 envía un mensaje apropiado al controlador maestro 100.
En la etapa S168, el controlador esclavo 102 monitoriza la recepción de mensajes procedentes del controlador maestro 100. Si se recibe un mensaje, el controlador esclavo 102 procesa el mensaje entrante en la etapa S170. En la etapa S172, el controlador esclavo 102 puede transmitir datos de células de combustible y cualquier mensaje. Después, el controlador esclavo 102 vuelve a la etapa S120 para poner un índice a la primera célula de combustible 90 para repetir el análisis.
Haciendo referencia a las Figs. 20-20A, se muestra un organigrama que ilustra operaciones ejemplares del controlador esclavo de válvula auxiliar 104. Inicialmente, el controlador esclavo 104 realiza una comprobación de comunicación en la etapa S180 para asegurar comunicaciones correctas con el controlador maestro 100. En la etapa S182, el controlador esclavo 104 está atento a una señal de arranque procedente del controlador maestro 100. En la etapa S184, se determina si se ha recibido la señal de arranque apropiada. Una vez que se recibe la señal de arranque, el controlador esclavo 104 ordena a los solenoides auxiliares 44 que abran las válvulas auxiliares respectivas 45 en la etapa S186. En la etapa S188, el controlador esclavo 104 ordena al solenoide de purga 42 que abra la válvula de purga 43 durante un periodo de tiempo definido.
En la etapa S190, el controlador esclavo 104 lee los datos y mensaje procedentes del controlador maestro 100. El controlador esclavo 104 determina si el maestro está fuera de línea en la etapa S192. Si es así, el controlador esclavo 104 cierra las válvulas auxiliares 45 en la etapa S194. Si no, el controlador esclavo 104 pasa a la etapa S196 para determinar si ha sido emitida una solicitud de apagado por el controlador maestro 100. Si es así, el controlador esclavo 104 pasa a la etapa S194. Si no, el controlador esclavo 104 pasa a la etapa S198 para determinar si se ha hecho un cambio en el estado de algún cartucho de células de combustible 14. Si es así, el controlador esclavo 104 controla las válvulas auxiliares respectivas 45 en la etapa S200 para suministrar combustible si el cartucho de células de combustible correspondiente 14 está en línea, o cesar el suministro de combustible si el cartucho de células de combustible 14 ha sido sacado de línea.
En la etapa S202, el controlador esclavo 104 monitoriza para determinar si es el momento de un ciclo de purga. El controlador esclavo 104 puede estar configurado para implementar periódicamente un ciclo de purga usando el solenoide de purga 42 y la válvula de purga 43 según un temporizador de purga. Si es el momento de un ciclo de purga, el controlador esclavo 104 pasa a la etapa S204 para reiniciar el temporizador de purga y después comienza un procedimiento de purga en la etapa S206. Tal como se muestra, el controlador esclavo 104 regresa a la etapa S190 para leer cualquier dato nuevo procedente del controlador maestro 100.
Haciendo referencia a las Figs. 21-21A, se ilustra un organigrama que ilustra operaciones ejemplares del controlador esclavo de ventilador 106. El controlador esclavo 106 pasa inicialmente a la etapa S210 y realiza una comprobación de comunicaciones para verificar las comunicaciones correctas con el controlador maestro 100. En la etapa S212, el controlador esclavo 106 está atento a una señal de arranque apropiada procedente del controlador maestro 100.
Una vez que se recibe la señal de arranque apropiada como se determina en la etapa S214, el controlador esclavo 106 pasa a la etapa S216 para iniciar el funcionamiento del ventilador 54 con un ajuste de flujo de aire máximo. Después, en la etapa S218 el controlador esclavo 106 lee la información de estado del ventilador procedente del conjunto de circuitos de monitorización del ventilador 49. En la etapa S220, el controlador esclavo 106 determina si el ventilador 54 está funcionando correctamente. Si no lo está, el controlador esclavo 106 emite una solicitud de apagado para el controlador maestro 100 en la etapa S222.
Si no, el controlador esclavo 106 recibe cualquier ajuste del ventilador actualizado desde el controlador maestro 100 en la etapa S224. En la etapa S226, el controlador esclavo 106 puede generar señales apropiadas para el conjunto de circuitos de control del ventilador 48 para ajustar el funcionamiento del ventilador 54. En la etapa S228, el controlador esclavo 106 determina sí se ha emitido una orden de apagado por el controlador maestro 100. Si no es así, el controlador esclavo 106 vuelve a la etapa S218 para leer el estado del ventilador 54. Si no, el controlador esclavo 106 pasa a la etapa S230 para apagar el ventilador 54.
Haciendo referencia a la Fig. 22, se muestra un organigrama que ilustra operaciones ejemplares del controlador esclavo de interfaz 108. Inicialmente, el controlador esclavo 108 pasa a la etapa S240 para realizar una comprobación de comunicaciones con el controlador maestro 100. Después, el controlador esclavo 108 genera información de mensaje apropiada para la interfaz de operador 16 para transmisión a un operador. En la realización descrita, la interfaz de operador 16 muestra la información de mensaje recibida desde el controlador maestro 100.
El controlador esclavo 108 está atento a las actualizaciones para la interfaz de operador 16 en la etapa S244. En la etapa S246, se determina si el controlador maestro 100 está fuera de línea. Si es así, el controlador esclavo envía un mensaje de error a la interfaz de operador 16 para indicar que el controlador maestro 100 está fuera de línea. Si no, el controlador esclavo 108 pasa a la etapa S250 para determinar si hubo un cambio en el estado de la interfaz de operador 16. Sí no es así, el controlador esclavo 108 pasa a la etapa S244 y está atento a las actualizaciones para la interfaz de operador 16. Si en la etapa S250 se indica un cambio en el estado de la interfaz, el controlador esclavo 108 pasa a la etapa S252 para actualizar la interfaz de operador 16.
Haciendo referencia a la Fig. 23, se ilustra un organigrama que ilustra operaciones ejemplares del controlador esclavo de puerto externo 110. Inicialmente, el controlador esclavo 110 realiza una comprobación de comunicaciones con el controlador maestro 100 en la etapa S260. Después, el controlador esclavo 110 lee cualquier comunicación de entrada procedente del dispositivo remoto 24 y el puerto de comunicación 36. En la etapa S264, el controlador esclavo 110 envía cualquier comunicación recibida al controlador maestro 100. En la etapa S266, el controlador esclavo 110 recibe cualquier comunicación procedente del controlador maestro 100. El controlador esclavo 110 pasa a enviar cualquier comunicación al puerto de comunicación 36 y el dispositivo remoto 24 en la etapa S268.
Haciendo referencia a las Figs. 24-24A, se muestra un organigrama que ilustra operaciones ejemplares del controlador esclavo de sistema 112. Inicialmente, en la etapa S270, el controlador esclavo 112 realiza una comprobación de comunicaciones con el controlador maestro 100. A continuación, el controlador esclavo 112 puede leer información de estado procedente de los sensores de suministro de energía 31 y el sensor de corriente 40 en la etapa S272. En la etapa S274, se determina por el controlador esclavo 112 si los valores de estado introducidos están dentro de intervalos apropiados. Sí no es así, el controlador esclavo 112 puede generar un mensaje de error en la etapa S276 para aplicación al controlador maestro 100.
Si no, el controlador esclavo 112 pasa a la etapa S278 y está atento a una orden de apertura de la válvula principal procedente del controlador maestro 100. En la etapa S280, se determina si se recibió la orden de abrir la válvula. Una vez que se recibe la orden de abrir la válvula, el controlador esclavo 112 pasa a la etapa S282 para activar la válvula principal 47 usando el solenoide principal 46. En la etapa S284, el controlador esclavo 112 está atento a una orden de apagado procedente del controlador maestro 100.
Pasando a la etapa S286, el controlador esclavo 112 determina si el controlador maestro 100 está fuera de línea. Si es así, el controlador esclavo 112 pasa a la etapa S296 para apagar el suministro de energía 32 y la válvula principal 47 usando el solenoide principal 46. Si el controlador maestro 100 está en línea, el controlador esclavo 112 pasa a la etapa S288 para volver a leer valores de estado procedentes de los sensores de suministro de energía 31 y el sensor de corriente 40. El controlador esclavo 112 puede controlar el conjunto de circuitos de carga 34 para cargar la batería 35, si es necesario, en la etapa S290 en respuesta a los valores leídos en la etapa S288.
En la etapa S292, el controlador esclavo 112 determina si los valores están dentro de los intervalos apropiados. Si no es así, el controlador esclavo 112 pasa a la etapa S294 para generar un mensaje de error para aplicación al controlador maestro 100. Si no, en la etapa S296, el controlador esclavo 112 monitoriza la presencia de una orden o solicitud de apagado procedente del controlador maestro 100. Si no se emite orden de apagado, el controlador esclavo 112 vuelve a la etapa S284. Si en la etapa S296 se recibe una solicitud u orden de apagado, el controlador esclavo 112 pasa a la etapa S296 para apagar la válvula principal 47 usando el solenoide principal 46 así como desconectar el suministro de energía 32.
Haciendo referencia a la Fig. 25, se muestra un organigrama que ilustra operaciones ejemplares del controlador esclavo de sensor 114. Inicialmente, en la etapa S300, el controlador esclavo 114 realiza una comprobación de comunicación con el controlador maestro 100. En la etapa S302, el controlador esclavo 114 controla los calentadores 74, 75, si es necesario, para llevar los sensores de combustible asociados 58, 61 dentro de los intervalos de temperatura de funcionamiento correctos. Después, el controlador esclavo 114 es configurado para leer información procedente del conjunto de circuitos de detección de combustible 64 y los sensores de combustible correspondientes 58, 61.
En respuesta a la lectura de los valores de los sensores de combustible, el controlador esclavo 114 determina en la etapa S306 si se detectó una pérdida importante. Si es así, en la etapa S308 el controlador esclavo 114 emite un mensaje de pérdida importante apropiado al controlador maestro 100. En la etapa S310, los valores de los sensores de combustible son analizados para determinar si se detectó una pérdida de poca importancia. Si es así, en la etapa S312 el controlador esclavo 114 envía un mensaje de pérdida de poca importancia apropiado al controlador maestro 100.
En la etapa S314, el controlador esclavo 114 lee la información de temperatura externa procedente del conjunto de circuitos de temperatura 67 y el sensor de temperatura asociado 59. En la etapa S316, el controlador esclavo 114 envía valores de temperatura externa al controlador maestro 100.
Haciendo referencia a la Fig. 26, se muestra un organigrama que ilustra operaciones ejemplares del controlador esclavo de temperatura de aire 116. Inicialmente, el controlador esclavo 116 realiza una comprobación de comunicación con el controlador maestro 100 en la etapa S320. Después, el controlador esclavo 116 lee valores de temperatura procedentes del conjunto de circuitos de temperatura 68 y el sensor de temperatura asociado 55 situado dentro de la cámara impelente 51. En la etapa S324, el controlador esclavo 116 lee un punto de referencia de temperatura tal como es calculado desde el controlador maestro 100.
En la etapa S326, el controlador esclavo 116 establece la recirculación usando el conducto de aire 56 y el ventilador 54 para mantener una temperatura del punto de referencia. El controlador esclavo 116 genera la temperatura del aire de la cámara impelente 51 tal como es determinada por el sensor de temperatura 55 para el controlador maestro 100 en la etapa S328.
Haciendo referencia a la Fig. 27, se muestra un organigrama que ilustra operaciones ejemplares del controlador esclavo de derivación 118. Inicialmente, en la etapa S320, el controlador esclavo 118 realiza una comprobación de comunicación con el controlador maestro 100. En la etapa S332, el controlador esclavo 118 lee los datos procedentes del controlador maestro 100.
En la etapa S334, se determina si hubo un cambio en el estado de los cartuchos de células de combustible 14. Si es así, el controlador esclavo 118 pasa a la etapa S336 para determinar si hay un cambio de cualquiera de los cartuchos de células de combustible 14 a una condición fuera de línea. Si no es así, el dispositivo conmutador apropiado 96 para el cartucho de células de combustible respectivo 14 es enclavado en una posición de apagado en la etapa S338. Alternativamente, el controlador esclavo 118 pasa a la etapa S340 para enclavar el dispositivo conmutador apropiado 96 para el cartucho de células de combustible respectivo 14 en una posición de encendido.
A continuación del proceso de las etapas S338 o S340, o alternativamente si no hay cambio en el estado de los cartuchos de células de combustible 14 tal como se determina en la etapa S334, el controlador esclavo 118 pasa a la etapa S342 para poner en derivación cíclicamente las células de combustible 90 del interior de los cartuchos de células de combustible 14 como se describe detalladamente en la solicitud de patente de EE.UU. de Nº de serie 09/108.677, incorporada anteriormente por referencia.
Haciendo referencia a la Fig. 28, se muestra un organigrama que ilustra operaciones ejemplares del controlador esclavo de conmutadores 120. El controlador esclavo 120 realiza una comprobación de comunicación con el controlador maestro 100 en la etapa S350. Después, el controlador esclavo 120 lee la información de estado de conmutadores procedente de los conmutadores 20 y el conjunto de circuitos de acondicionamiento de conmutadores 19 en la etapa S352. En la etapa S354, el controlador esclavo 120 lee la información de estado de activación de carga procedente del controlador maestro 100.
El controlador esclavo 120 determina si se recibió una solicitud de desconexión desde el controlador maestro 100 en la etapa S356. Si sí se recibió, el controlador esclavo 120 pasa a la etapa S358 para enviar un mensaje de apagado al controlador maestro 100. Si no, el controlador esclavo 120 pasa a la etapa S360. El controlador esclavo 120 determina si fue proporcionada una solicitud de activación de carga desde los conmutadores 20. Si es así, el controlador esclavo 120 pasa a la etapa S362 para determinar si el controlador maestro 100 ha indicado que el sistema de energía de células de combustible 10 está preparado para proporcionar energía como se determina en la etapa S354. Si es así, el controlador esclavo 120 pasa a la etapa S364 para activar el dispositivo conmutador 38.
En la etapa S366, el controlador esclavo 120 determina si el controlador maestro 100 está en una condición fuera de línea. Si es así, el controlador esclavo 120 desactiva el dispositivo conmutador 38 en la etapa S368. Si no, el controlador esclavo 120 pasa a la etapa S370 para determinar si desde los conmutadores 20 se ha indicado una reposición de cartucho. Si es así, en la etapa S372 el controlador esclavo 120 pasa a enviar un mensaje de reposición de cartucho al controlador maestro 100. El controlador esclavo 120 vuelve entonces a la etapa S352 para leer el estado de los conmutadores procedente del conjunto de circuitos de acondicionamiento de conmutadores 19 y los conmutadores asociados 20 en la etapa S352.

Claims (44)

1. Un sistema de energía de células de combustible que comprende:
\quad
una pluralidad de células de combustible conectadas eléctricamente con terminales plurales y configuradas individualmente para convertir energía química en electricidad, y
\quad
un sistema de control digital configurado para al menos uno de controlar y monitorizar un funcionamiento de las células de combustible, caracterizado porque las células de combustible están configuradas para ser desactivadas selectivamente de manera individual y unas células de combustible restantes están configuradas para proporcionar electricidad a los terminales con otra de las células de combustible desactivadas.
2. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 1 en el que el sistema de control está configurado para controlar el funcionamiento.
3. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 1 en el que el sistema de control está configurado para monitorizar el funcionamiento.
4. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 1 en el que las células de combustible están conectadas en serie.
5. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 1 en el que el sistema de control comprende una pluralidad de controladores distribuidos.
6. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 5 en el que los controladores distribuidos están configurados en una relación de maestro/esclavo.
7. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 1 en el que las células de combustible comprenden células de combustible de membrana de electrolito de polímero.
8. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 1 en el que las células de combustible están configuradas individualmente para ser físicamente desmontables.
9. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 1 en el que las células de combustible están configuradas individualmente para ser derivadas eléctricamente.
10. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 1 que además comprende una pluralidad de dispositivos conmutadores configurados para poner en derivación selectivamente células de combustible respectivas.
11. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 10 en el que el sistema de control está configurado para monitorizar al menos una característica eléctrica de las células de combustible y para controlar los dispositivos conmutadores en respuesta a la monitorización.
12. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 1 que además comprende:
\quad
un alojamiento alrededor de las células de combustible;
\quad
un sensor de temperatura dentro del alojamiento; y
\quad
un montaje de control de temperatura del aire configurado para al menos uno de incrementar y disminuir la temperatura dentro del alojamiento.
13. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 12 en el que el sistema de control está configurado para monitorizar la temperatura usando el sensor de temperatura y para controlar el montaje de control de temperatura del aire en respuesta a la monitorización para mantener la temperatura dentro del alojamiento dentro de un intervalo predefinido.
14. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 12 en el que el sistema de control está configurado para monitorizar la temperatura usando el sensor de temperatura y para controlar el montaje de control de temperatura del aire en respuesta a la monitorización para mantener la temperatura dentro del alojamiento dentro de un intervalo predefinido de 25º Celsius a 80º Celsius.
15. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 1 que además comprende un ventilador configurado para dirigir aire a las células de combustible, y el sistema de control está configurado para controlar el ventilador.
\newpage
16. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 1 que además comprende una pluralidad de válvulas configuradas para suministrar combustible a células de combustible respectivas, y el sistema de control está configurado para controlar las válvulas.
17. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 1 que además comprende una válvula principal configurada para suministrar combustible a las células de combustible, y el sistema de control está configurado para controlar la válvula principal.
18. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 1 que además comprende un puerto de comunicación adaptado para conectarse con un dispositivo remoto, y el sistema de control está configurado para comunicarse con el dispositivo remoto a través del puerto de comunicación.
19. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 18 en el que el sistema de control está configurado para implementar una operación de apagado para desactivar una o más células de combustible.
20. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 19 en el que la operación de apagado desactiva todas las células de combustible.
21. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 1 que además comprende un dispositivo conmutador intermedio a uno de los terminales y las células de combustible, y el sistema de control está configurado para controlar el dispositivo conmutador.
22. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 1 que además comprende:
\quad
un alojamiento alrededor de las células de combustible; y
\quad
un sensor de combustible configurado para monitorizar la presencia de combustible dentro del alojamiento, y el sistema de control está conectado con el sensor de combustible y configurado para implementar una operación de apagado en respuesta a una detección de combustible dentro del alojamiento.
23. El sistema de energía de células de combustible según la reivindicación 1 en el que las células de combustible están provistas en una pluralidad de cartuchos.
24. Un procedimiento de control de un sistema de energía de células de combustible que comprende:
\quad
proporcionar una pluralidad de células de combustible configuradas individualmente para convertir energía química en electricidad; en el que las células de combustible están configuradas para ser desactivadas selectivamente de manera individual y unas células de combustible restantes están configuradas para proporcionar electricidad a los terminales con otra de las células de combustible desactivadas.
\quad
conectar eléctricamente la pluralidad de células de combustible;
\quad
proporcionar un primer terminal conectado con las células de combustible;
\quad
proporcionar un segundo terminal conectado con las células de combustible; y
\quad
conectar un sistema de control digital con las células de combustible para al menos uno de monitorizar y controlar un funcionamiento de las células de combustible.
25. El procedimiento según la reivindicación 24 que además comprende monitorizar el funcionamiento de las células de combustible.
26. El procedimiento según la reivindicación 24 que además comprende controlar el funcionamiento de las células de combustible.
27. El procedimiento según la reivindicación 24 en el que el hecho de conectar el sistema de control comprende conectar una pluralidad de controladores distribuidos.
28. El procedimiento según la reivindicación 24 en el que el hecho de proporcionar las células de combustible comprende proporcionar células de combustible de membrana de electrolito de polímero.
29. El procedimiento según la reivindicación 24 que además comprende desactivar al menos una de las células de combustible.
30. El procedimiento según la reivindicación 29 en el que la desactivación comprende desmontar físicamente.
31. El procedimiento según la reivindicación 29 en el que la desactivación comprende derivar eléctricamente.
\newpage
32. El procedimiento según la reivindicación 24 que además comprende poner en derivación selectivamente al menos una de las células de combustible.
33. El procedimiento según la reivindicación 24 que además comprende:
\quad
monitorizar al menos una característica eléctrica de las células de combustible; y poner en derivación al menos una de las células de combustible en respuesta a la monitorización.
34. El procedimiento según la reivindicación 24 que además comprende mantener una temperatura del aire alrededor de las células de combustible en un intervalo predefinido.
35. El procedimiento según la reivindicación 24 que además comprende mantener una temperatura del aire alrededor de las células de combustible en un intervalo predefinido de 25º Celsius a 80º Celsius.
36. El procedimiento según la reivindicación 24 que además comprende dirigir aire a las células de combustible usando un ventilador.
37. El procedimiento según la reivindicación 36 que además comprende:
\quad
monitorizar una carga conectada con los terminales; y
\quad
controlar el ventilador en respuesta a la monitorización usando el sistema de control.
38. El procedimiento según la reivindicación 24 que además comprende:
\quad
suministrar combustible a las células de combustible usando una pluralidad de válvulas auxiliares; y
\quad
controlar las válvulas auxiliares usando el sistema de control.
39. El procedimiento según la reivindicación 24 que además comprende:
\quad
suministrar combustible a las válvulas auxiliares usando una válvula principal; y
\quad
controlar la válvula principal usando el sistema de control.
40. El procedimiento según la reivindicación 24 que además comprende:
\quad
comunicarse con un dispositivo remoto usando un puerto de comunicación; y
\quad
controlar la comunicación usando el sistema de control.
41. El procedimiento según la reivindicación 24 que además comprende:
\quad
conmutar una conexión intermedia a uno de los terminales y las células de combustible; y
\quad
controlar la conmutación usando el sistema de control.
42. El procedimiento según la reivindicación 24 que además comprende:
\quad
monitorizar la presencia de combustible dentro de un alojamiento alrededor de las células de combustible; e
\quad
implementar una operación de apagado en respuesta a la monitorización usando el sistema de control.
43. El procedimiento según la reivindicación 42 en el que la implementación desactiva una o más de las células de combustible.
44. El procedimiento según la reivindicación 42 en el que la implementación desactiva todas las células de combustible.
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