ES2371001T3 - Pila de combustible desmontable para vehículos. - Google Patents

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ES2371001T3 ES06703599T ES06703599T ES2371001T3 ES 2371001 T3 ES2371001 T3 ES 2371001T3 ES 06703599 T ES06703599 T ES 06703599T ES 06703599 T ES06703599 T ES 06703599T ES 2371001 T3 ES2371001 T3 ES 2371001T3
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Jonathan Mark Moore
Benjamin Norman Peace
Brook Forest Porter
Damian Davies
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Abstract

Una unidad de energía de pila de combustible (10) para un vehículo, la unidad de energía de pila de combustible comprendiendo una carcasa unitaria (11) que contiene: un depósito de combustible (22) para almacenar combustible; al menos un paquete de pila de combustible electroquímica (20, 21) para entregar energía eléctrica a partir del combustible fluido; un puerto de aprovisionamiento (16) en una superficie exterior (11a) de la carcasa; y un camino de flujo de aire que se extiende entre un primer puerto de entrada (12, 14) en una superficie exterior (11c, 11e) de la carcasa y un primer puerto de salida (15) en una superficie exterior (11b) de la carcasa, vía elementos de cátodo en el al menos un paquete de pila de combustible.

Description

Pila de combustible desmontable para vehículos
La presente invención se refiere a pilas de combustible y en particular al uso de pilas de combustibles en vehículos.
Hay un creciente interés en el uso de pilas de combustible como fuentes alternativas de energía para varias aplicaciones de automoción. Las pilas de combustible ofrecen salida de energía eléctrica a partir de la conversión electroquímica de hidrógeno y oxígeno en agua y por ello ofrecen beneficios significativos al posibilitar una reducción sustancial en la contaminación en el punto de uso. Además, las pilas de combustible pueden operarse desde un suministro directo de hidrógeno almacenado (p. ej. embotellado en forma comprimida), o desde un suministro indirecto de hidrógeno (p. ej. De un combustible conteniendo hidrógeno del que se libera el hidrógeno por un procesador de combustible asociado).
Sin embargo, hay muchos problemas asociados que superar al aplicar la tecnología de pila de combustible a las aplicaciones de automoción. Estos problemas incluyen: (i) proporcionar suficiente salida de potencia para un tamaño y masa dados de pila de combustible adecuados para el vehículo, a la vez manteniendo límites adecuados a las demandas sobre la pila de acuerdo a condiciones variables de operación, (ii) reducir el tiempo para recargar o aprovisiona el vehículo hasta un nivel aceptable comparable con los vehículos existentes movidos por motores de combustión interna; (iii) conectar las pilas de combustible con los sistemas de accionamiento y control del vehículo; y (iv) proveer la unidad de energía de pila de combustible en un paquete que sea adecuado para el vehículo en cuestión.
La solicitud de patente de Estados Unidos publicada con número US 2005/0016785 A1 revela una unidad de energía de pila de combustible que comprende un alojamiento que contiene un paquete de pila de combustible.
Es un objeto de la presente invención proporcionar una solución versátil para proveer una unidad de energía basada en pila de combustible para un vehículo en le que algunos o todos los problemas antes indicados se mitigan o superan.
Según un aspecto, la presente invención proporciona provee una unidad de energía de pila de combustible para un vehículo, la unidad de energía de pila de combustible comprendiendo un alojamiento unitario que contiene:
un depósito de combustible para almacenar combustible;
al menos un paquete de pila electroquímica de combustible para entregar energía eléctrica a partir del combustible fluido;
un puerto de reaprovisionamiento en una superficie exterior del alojamiento;
y
una vía de flujo de aire que se extiende entre un primer puerto de entrada en una superficie exterior del alojamiento y un primer puerto de salida en una superficie exterior del alojamiento, vía elementos de cátodo en el al menos un paquete de pila de combustible.
Se describirán ahora realizaciones de la presente invención a modo de ejemplo, y con referencia a los dibujos acompañantes, en los que
la Figura 1 muestra una vista en perspectiva esquemática de una unidad de energía de pila de combustible para uso con un vehículo, tal como una motocicleta, y adecuada para uso en aplicaciones fuera del vehículo;
la Figura 2 muestra una vista en perspectiva esquemática de la unidad de energía de pila de combustible de la Figura 1 con costados parcialmente recortados para revelar detalles internos;
la Figura 3 muestra una vista en perspectiva esquemática de la unidad de energía de pila de combustible de la Figura 1 con costados parcialmente recortados para revelar detalles internos;
la Figura 4 muestra una vista en perspectiva esquemática del reverso de la unidad de energía de pila de combustible de la Figura 1 con costados parcialmente recortados para revelar detalles internos;
la Figura 5 muestra una vista en perspectiva esquemática del lado inferior de la unidad de energía de pila de combustible de la Figura 1;
la Figura 6 muestra una vista lateral esquemática de la unidad de energía de pila de combustible de la Figura 1 completamente instalada en una motocicleta;
la Figura 7 muestra una vista lateral esquemática de la unidad de energía de pila de combustible de la Figura 1 en una posición parcialmente expulsada en una motocicleta;
la Figura 8 muestra una vista lateral esquemática de la unidad de energía de pila de combustible de la Figura 1 en una posición completamente expulsada en una motocicleta lista para desmontar;
la Figura 9 muestra una vista lateral esquemática de la unidad de energía de pila de combustible de la Figura 1 en una posición completamente expulsada y parcialmente desmontada en una motocicleta; y
la Figura 10 muestra una vista lateral esquemática de la unidad de energía de pila de combustible de la Figura 1 en una posición completamente desmontada de la motocicleta.
Con referencia a la figura 1, se muestra un estilo compacto preferido de una unidad de energía de pila de combustible 10 para uso en un vehículo. La unidad de energía 10 está particularmente adaptada para ser desmontable del vehículo de forma que pueda usarse como una fuente alternativa de energía para otras aplicaciones. Ejemplos de tales otras aplicaciones pueden incluir proporcionar energía doméstica para acomodación permanente o temporal, energía de emergencia, energía para oficinas móviles, iluminación de exteriores o aparatos generalmente portátiles como ordenadores portátiles, etc. La capacidad de desmontaje de la unidad de energía 10 también facilita el mantenimiento sencillo de la unidad de energía al posibilitar la permuta de unidades de energía, o el uso de la misma unidad de energía en más de un vehículo. La permuta de una unidad de energía 10 descargada con una unidad completamente cargada, o la recarga de la unidad descargada elimina el prolongado período de carga asociado con los vehículos eléctricos alimentados con baterías.
La unidad de energía 10 está también particularmente adaptada para integrarse con el vehículo en el que debe instalarse para facilidad de uso, versatilidad y eficiencia óptimas. Una carcasa unitaria 11 incluye paneles laterales 11a, 11b, panel de borde posterior 11c, superficie superior 11d, panel de borde anterior 11e (ver figura 4) y superficie inferior 11f (ver figura 4). El panel de borde posterior 11c incluye una manilla empotrada 12 que sirve también como un primer puerto de entrada de aire. El panel de borde anterior 11e incluye una manilla empotrada 13 que sirve también como un puerto adicional de entrada de aire. Uno, o preferiblemente ambos paneles laterales 11a, 11b incluyen un puerto de salida de aire. La disposición de los puertos de entrada y salida de aire puede variar según diferentes diseños, y alguno
o todos los puertos de entrada / salida puede servir como manilla empotrada. La superficie superior 11d preferiblemente incluye también un puerto de aprovisionamiento 16 para acceso fácil cuando la unidad de energía se instala en el vehículo o cuando se desmonta del vehículo.
Con referencia a las figuras 2 y 3, los componentes internos de la unidad de energía de pila de combustible 10 comprenden un par de paquetes de pila de combustible 20, 21 y un depósito de suministro de combustible 22. En la disposición preferida, el depósito de suministro de combustible 22 es un cilindro para almacenar hidrógeno gaseoso comprimido. En otras realizaciones, pueden usarse tipos de combustible fuente indirecta de hidrógeno, tales como metanol, etanol e borohidruro de sodio, contenidos en depósitos adecuados. Donde se usan tales fuentes indirectas de hidrógeno, los paquetes de pila de combustible 20, 21 pueden ser pilas de combustible especialmente adaptadas para uso con tales combustibles (incluyendo pilas de combustible de metanol directo, pilas de combustible de óxido sólido, pilas de combustible de borohidruro directo, etc.) o pilas convencionales de membrana de intercambio de protones de combustible hidrógeno con un procesador adecuado de combustible para generar hidrógeno para su entrega a ellas. El depósito de suministro de combustible 22 está conectado al puerto de aprovisionamiento 16 por un conducto 30 y sistema de válvula 31 adecuados. El combustible se entrega a cada uno de los paquetes de pila de combustible 20, 21 a través de un regulador de gas de alta presión 32 y tubos de entrega de combustible 33, y un regulador de gas de baja presión 34.
El aire refrigerante y oxidante se entrega a los paquetes de pila de combustible 20, 21 desde el puerto de entrada de aire en las manillas empotradas 12, 14. Preferentemente, las pilas de combustible 20, 21 son de la variedad de cátodo abierto, en las que una corriente de aire a presión ambiental se hace pasar sobre las placas de cátodo de la pila de combustible para servir como (i) suministro de oxidante, (ii) como flujo portador de gas de escape y (iii) como un refrigerante. Con esta finalidad, la unidad de energía proporciona un camino de flujo que se extiende entre el puerto de entrada 12 y / o el puerto de entrada 14 alrededor de loa paquetes de pilas de combustible 20, 21, y entre las placas de pilas de combustible a través de filtros 35, 36. Dependiendo de los requisitos de rendimiento de las pilas de combustible 20, 21, puede proveerse ventilación forzada por medio de ventiladores 40, 41 para aumentar el flujo de aire entre las placas de pilas de combustible, como se muestra particularmente en la figura 4. El aire es evacuado de la unidad de energía 10 vía el puerto o puertos de salida de aire 15. Puede haber un puerto de salida en uno o ambos lados 11a, 11b (ver también figura 5).
En realizaciones preferidas, a describir más adelante, la unidad de energía de pila de combustible 10 está posicionada en un vehículo de manera que el movimiento de avance del vehículo ayuda a proporcionar refrigeración de aire y suministro de oxidante forzados a las pilas de combustible vía el camino de flujo.
La base de la carcasa 11 de la unidad de energía incluye un circuito eléctrico de control 23 para controlar la operación de las pilas de combustible y para interconectar con un controlador de energía del vehículo en el que debe instalarse la unidad de energía 10.
Con referencia a la figura 5, la base 11f de la carcasa 11 de la unidad de energía incluye una cavidad 50 que contiene contactos eléctricos 51 para acoplar eléctricamente la unidad de energía 10 al vehículo en que debe instalarse. Preferiblemente, los contactos eléctricos 51 comprenden dos o más contactos de energía separados para entregar intensidad alta para energía motora, y contactos de control separados para suministrar señales de control. Sin embargo, se entenderá que las señales de control podrían alternativamente, o adicionalmente, ser transmitidas entre la unidad de energía 10 y un vehículo usando señales de modulación sobre los contactos de energía, o usando un enlace inalámbrico independiente.
La base 11f de la carcasa 11 de la unidad de energía también incluye un punto de cierre 52 que está adaptado para acoplar con un mecanismo de retención y eyector adecuado en el vehículo en el que debe instalarse, que se describirá en mayor detalle más adelante.
La figura 6 muestra una vista lateral esquemática de la unidad de energía de pila de combustible 10 completamente instalada en una motocicleta 60, según una realización preferente. La unidad de energía 10 está colocada dentro de una cavidad 63 situada entre la posición del manillar 61 y la posición del asiento 62. En la posición completamente instalada de la figura 6, se notará que el puerto de entrada de aire 14 está colocado en un borde anterior de la unidad de energía y recibe aire dirigido a él por el carenado 64 de la motocicleta, ayudado por el movimiento de avance del vehículo 60. Una segunda entrada de aire 12 está situada en un borde posterior de la unidad de energía 10 que puede también tener aire dirigido hacia él por una conducción apropiada en el costado o costados del carenado 64.
El puerto de aprovisionamiento 16 es accesible inmediatamente en virtud de su posición superior de montaje en la unidad de energía instalada en la cavidad 63. Por ello, la pila de combustible puede rellenarse con hidrógeno u otro combustible bien in situ en el vehículo 60, o cuando se desmonte del vehículo.
La unidad de energía 10 descansa en una plataforma de soporte 65 que forma la base de la cavidad 63. La plataforma de soporte está articulada en el punto de giro 66 y movible alrededor del punto de giro 66 por medio de un montante 67 accionado por gas que forma un mecanismo eyector. La unidad de energía 10 está conectada con la plataforma de soporte por medio del punto de cierre 52 que está acoplado a un gatillo 68 en la plataforma de soporte 65.
La figura 7 muestra una vista esquemática lateral correspondiente de la unidad de energía de pila de combustible 10 parcialmente eyectada de la motocicleta 60. En esta posición parcialmente eyectada, el montante 67 accionado por gas ha elevado la plataforma soporte 65 de forma que ha girado aproximadamente 15 – 20 grados en sentido horario alrededor del punto de giro 66 y la unidad de energía de pila de combustible en consecuencia ha emergido parcialmente de la cavidad 63. La unidad de energía 10 está aún engatillada a la plataforma soporte 65 en esta etapa.
La figura 8 muestra una vista esquemática lateral correspondiente de la unidad de energía de pila de combustible 10 totalmente extraída de la motocicleta 60. En esta posición totalmente eyectada, el montante 67 accionado por gas está completamente extendido para elevar la plataforma soporte 65 a una posición superior en la que está sustancialmente alineado con un rail soporte 80 adyacente a la posición del asiento 62 de la motocicleta 60. En esta posición totalmente eyectada, el gatillo 68 puede desacoplarse del punto de cierre 52 en la unidad de energía 10 (ver figura 9 que muestra el gatillo desacoplado) de forma que la unidad de energía puede ser retirada hacia atrás a lo largo de la plataforma soporte 65 y rail soporte 80. El desacoplamiento del gatillo puede efectuarse manualmente ya que se hace accesible (ver figura 8), o más preferiblemente el desacoplamiento puede ocurrir automáticamente cuando la plataforma soporte alcanza la posición totalmente eyectada.
La unidad de energía 10 puede ser convenientemente retirada de la posición eyectada de la figura 8 a la posición desmontada de la figura 9 usando la manilla de borde posterior 12. En este punto, la manilla de borde anterior 14 también se hace accesible, y la unidad de energía 10 puede ser retirada de la motocicleta en su totalidad.
Se notará que la acción deslizante de la unidad de energía 10 desde la posición totalmente eyectada de la figura 8 y la posición parcialmente desmontada de la figura 9 también da lugar al desacoplamiento de los contactos eléctricos 51 en la unidad de energía 10 de los correspondientes contactos eléctricos 90 en la motocicleta, que están integrados con la plataforma soporte 65.
La figura 10 muestra la motocicleta 60 con la unidad de energía de pila de combustible 10 completamente desmontada.
Se entenderá que mecanismos similares de retención y eyección pueden proveerse en otros tipos de vehículos, tales como cualquier transporte de dos o cuatro ruedas. Para vehículos mayores, pueden proveerse cavidades 63 separadas para varias unidades de energía para mejorar la salida de energía y/o autonomía del vehículo. El diseño preferido descrito está particularmente adaptado para conexión y desconexión fácil y rápida del vehículo.
Un aspecto importante de las unidades de energía 10 preferidas como se han descrito aquí es su capacidad para interconectar con una pluralidad de diferentes tipos de vehículos, y la capacidad para actuar como fuentes de energía independientes para aplicaciones diferentes del transporte. Por ejemplo, las unidades de energía 10 pueden desmontarse del vehículo para proporcionar energía para actividades de acampada o para electricidad doméstica, donde se requiera. Las unidades de energía 10 pueden ser provistas de salidas de energía separadas de diferentes voltajes y/o tipos de conexión (no mostrados), o puede proveerse un manguito de salida (posiblemente con un convertidor de tensión integrado) que sea compatible para enganchar físicamente con los contactos eléctricos 51.
Para asegurar que las unidades de energía 10 puedan usarse en tipos plurales de vehículos y en entornos plurales diferentes, las unidades de energía de pila de combustible incluyen un circuito eléctrico de control 23 con microprocesador que se interconecta con un controlador de energía en el propio vehículo. El circuito eléctrico de control 23 realiza muchas funciones asociadas con el correcto mantenimiento de las pilas de combustible, tales como asegurar una proporción apropiada combustible / oxidante, humidificación de las placas de ánodo y cátodo donde se requiera, limitaciones apropiadas al drenaje de corriente dependiendo de la temperatura y otras condiciones de operación de la pila de combustible. Sin embargo, el circuito eléctrico de control también interactúa con el controlador de energía del propio vehículo para determinar condiciones de operación del propio vehículo, para asegurar óptimas condiciones operativas de las pilas de combustible.
Por ejemplo, cuando se opera en condiciones de arranque, las pilas de combustible requieren un período de calentamiento para asegurar que los electrodos llegan a estar correctamente hidratados, antes de la demanda total de energía. Así, el controlador de energía del vehículo recibe la instrucción, del circuito eléctrico de control 23, sobre la energía o aceleración máxima que puede permitirse bajo las condiciones de operación establecidas de la pila de combustible. En una realización preferida, se proporcionará al vehículo un suministro eléctrico auxiliar, tal como una batería plomo-ácido, que puede servir para satisfacer punta de demanda en períodos en los que la pila de combustible es temporalmente incapaz de servir tal demanda, p. ej., durante aceleración. El circuito eléctrico de control 23 instruye al controlador de energía del vehículo respecto a la energía disponible de la unidad de energía de pila de combustible 10 bajo las condiciones establecidas de operación de las pilas de combustible, de forma que el controlador de energía del vehículo puede determinar una proporción de energía que debe tomarse del suministro auxiliar (o limitar la demanda del vehículo si un suministro auxiliar no está disponible o es excedido).
De forma similar, para altas cargas transitorias de energía, el circuito eléctrico de control 23 de la unidad de energía 10 proporciona al vehículo una indicación de la máxima energía que está disponible instantáneamente o semiinstantáneamente de las pilas de combustible en un momento dado, es decir, los límites disponibles de operación establecidas. los límites disponibles establecidas varían continuamente, dependiendo de un número de factores, tales como (i) la temperatura de las pilas, (ii) los flujos disponibles de aire oxidante y/o de refrigeración, (iii) la demanda histórica, y (iv) cualquier otro requisito de servicio de las pilas de combustible. Por ejemplo, en algunas pilas de combustible, es deseable llevar a cabo purgas de rutina de gases de combustible y oxidante para mantener las pilas en condición de punta, sugeridas por cambios en voltajes de pila. Las purgas de rutina pueden efectuarse conectando o desconectando paquetes seleccionados en un sistema de pila de combustible de forma quela salida neta de energía disminuya temporalmente sólo en una cantidad relativamente pequeña.
El controlador de energía del vehículo puede ser también operativo para recargar cualquier fuente auxiliar de energía del vehículo (p. ej. batería plomo-ácido o cualquier otro tipo de batería electroquímica) cuando determine que la demanda de energía del vehículo es menor que el límite actual disponible de operación de la unidad de energía de pila de combustible.
El posicionamiento de la pila de combustible en el vehículo puede variar de acuerdo a muchos parámetros alternativos de diseño. Sin embargo, se notará que puede usarse ventajosamente la posición de montaje central, con flujos de aire laterales de ventilación, en la motocicleta 60 de las figuras 6 a 10 para mantener una corriente de aire más caliente próxima al piloto. En otros tipos de vehículos, la corriente de aire de escape de la pila de combustible puede usarse para propósitos de calefacción de espacios.
Otras realizaciones están intencionalmente dentro del alcance de las reivindicaciones acompañantes.

Claims (16)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Una unidad de energía de pila de combustible (10) para un vehículo, la unidad de energía de pila de combustible comprendiendo una carcasa unitaria (11) que contiene:
    un depósito de combustible (22) para almacenar combustible;
    al menos un paquete de pila de combustible electroquímica (20, 21) para entregar energía eléctrica a partir del combustible fluido;
    un puerto de aprovisionamiento (16) en una superficie exterior (11a) de la carcasa; y
    un camino de flujo de aire que se extiende entre un primer puerto de entrada (12, 14) en una superficie exterior (11c, 11e) de la carcasa y un primer puerto de salida (15) en una superficie exterior (11b) de la carcasa, vía elementos de cátodo en el al menos un paquete de pila de combustible.
  2. 2.
    La unidad de energía de pila de combustible de la reivindicación 1 que además incluye un segundo puerto de entrada (14, 12) en una superficie exterior (11e, 11c) de la carcasa, el segundo puerto de entrada estando también acoplado al camino de flujo de aire.
  3. 3.
    La unidad de energía de pila de combustible de la reivindicación 1 o la reivindicación 2 en la que al menos uno de los puertos de entrada y/o puertos de salida comprende una manilla empotrada (12, 13, 14) para elevar la unidad de energía.
  4. 4.
    La unidad de energía de pila de combustible de la reivindicación 3 en la que un primer puerto de entrada (14) en un borde anterior (11e) de la unidad de energía y un segundo puerto de entrada (12) en un borde posterior (11c) de la unidad de energía comprenden las manillas empotradas.
  5. 5.
    La unidad de energía de pila de combustible de la reivindicación 4 en la que el puerto de aprovisionamiento
    (16) está situado en una superficie superior (11d) de la unidad de energía.
  6. 6.
    La unidad de energía de pila de combustible de la reivindicación 1 que además incluye un circuito eléctrico de control (23) para interconectar con un controlador de energía en el vehículo al que debe unirse la unidad de energía, el circuito de control determinando condiciones de operación admisibles del vehículo mientras la unidad de energía está acoplada a él, vía el controlador de energía.
  7. 7.
    La unidad de energía de pila de combustible de la reivindicación 6 en la que las condiciones de operación determinadas incluyen una o más de velocidad máxima, aceleración máxima, y carga eléctrica máxima de acuerdo a condiciones establecidas.
  8. 8.
    La unidad de energía de pila de combustible de la reivindicación 1 que incluye además un punto de cierre (52) sobre una superficie inferior (11f) de la carcasa (11).
  9. 9.
    La unidad de energía de pila de combustible de la reivindicación 1 que incluye además un conjunto de contactos empotrados (51) en una superficie inferior (11f) de la carcasa (11).
  10. 10.
    La unidad de energía de pila de combustible de la reivindicación 1 que además incluye al menos una salida auxiliar de energía.
  11. 11.
    Un vehículo movido eléctricamente que comprende una unidad de energía de pila de combustible según cualquier reivindicación anterior, el vehículo teniendo una cavidad (63) para recibir de forma desmontable dicha unidad de energía de pila de combustible.
  12. 12.
    El vehículo de la reivindicación 11 en el que la cavidad (63) incluye un mecanismo eyector engatillable (65, 67) para elevar la unidad de energía (10) fuera de la cavidad.
  13. 13.
    El vehículo de la reivindicación 12 en el que el mecanismo eyector engatillable comprende una plataforma soporte (65) para la unidad de energía, la plataforma incluyendo un mecanismo de enganche (68) para enganchar con un punto de cierre (52) sobre una superficie inferior (11f) de la carcasa de la unidad de energía.
  14. 14.
    El vehículo de la reivindicación 11 en el que la cavidad (63) incluye al menos un ducto de aire que provee un conducto para flujo de aire desde el frente del vehículo a la cavidad, el ducto de aire posicionado para alineación con el puerto de entrada (14) sobre una superficie exterior de la carcasa de la unidad de energía.
  15. 15.
    El vehículo de la reivindicación 11 dependiente de la reivindicación 6, el vehículo incluyendo un controlador de energía para interconectar con un circuito eléctrico de control (23) en la unidad de energía de pila de combustible, el controlador de energía operativo para determinar condiciones de operación del vehículo en
    base a límites admisibles determinados por el circuito eléctrico de control de la unidad de energía de pila de combustible.
  16. 16.
    El vehículo de cualquiera de las reivindicaciones 11 a 15 en el que el vehículo es una motocicleta.
    REFERENCIAS CITADAS EN LA DESCRIPCION
    Este listado de referencias citadas por el solicitante tiene como único fin la conveniencia del lector. No forma parte del documento de la Patente Europea. Aunque se ha puesto gran cuidado en la compilación de las referencias, no pueden excluirse errores u omisiones y la OEP rechaza cualquier responsabilidad en este sentido.
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