ES2418480T3 - Enfriamiento de célula de combustible - Google Patents

Enfriamiento de célula de combustible Download PDF

Info

Publication number
ES2418480T3
ES2418480T3 ES09752443T ES09752443T ES2418480T3 ES 2418480 T3 ES2418480 T3 ES 2418480T3 ES 09752443 T ES09752443 T ES 09752443T ES 09752443 T ES09752443 T ES 09752443T ES 2418480 T3 ES2418480 T3 ES 2418480T3
Authority
ES
Spain
Prior art keywords
water
fuel cell
amount
cooling circuit
cell stack
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
ES09752443T
Other languages
English (en)
Inventor
Peter David Hood
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Intelligent Energy Ltd
Original Assignee
Intelligent Energy Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Intelligent Energy Ltd filed Critical Intelligent Energy Ltd
Application granted granted Critical
Publication of ES2418480T3 publication Critical patent/ES2418480T3/es
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D17/00—Arrangements for circulating cooling fluids; Arrangements for circulating gas, e.g. air, within refrigerated spaces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D29/00—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04044—Purification of heat exchange media
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H01M8/04134—Humidifying by coolants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H01M8/04141—Humidifying by water containing exhaust gases
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04291—Arrangements for managing water in solid electrolyte fuel cell systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828—Humidity; Water content
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0444—Concentration; Density
    • H01M8/04485—Concentration; Density of the coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04574—Current
    • H01M8/04589—Current of fuel cell stacks
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Un procedimiento de operación de un sistema de células de combustible (100) que comprende una pila de células de combustible (110) y un circuito de enfriamiento de agua de ciclo cerrado para la inyección directa de agua de enfriamiento en la pila (110), comprendiendo el procedimiento: medir un parámetro operativo del sistema de células de combustible (100) a lo largo de un periodo de tiempo; añadir una cantidad de agua líquida al circuito de enfriamiento de ciclo cerrado a partir de una cantidad total de agua generada por la pila de células de combustible (110) durante el funcionamiento de la pila de células de combustible (110) a lo largo del periodo de tiempo; y caracterizado por eliminar la cantidad de agua líquida del circuito de enfriamiento de ciclo cerrado, en el que la cantidad de agua líquida como proporción de la cantidad total de agua que se genera durante el funcionamiento de la pila de células de combustible (110) a lo largo del periodo de tiempo lo determina de forma automática el sistema de células de combustible como una función del parámetro operativo, en el que el parámetro operativo es una corriente eléctrica que se extrae de la pila de células de combustible (110) a lo largo del periodo de tiempo.

Description

Enfriamiento de célula de combustible
La invención se refiere al enfriamiento de ciclo cerrado de un sistema de células de combustible y, en particular, a la adición y a la eliminación de agua dentro de un circuito de enfriamiento de ciclo cerrado en relación con el agua que se expulsa de una pila de células de combustible.
El agua forma parte del funcionamiento de un sistema de células de combustible, por ejemplo en la forma del sistema que se describe en el presente documento, que comprende una pila de células de combustible basada en torno a una membrana de intercambio de protones (MIP). La reacción de los protones (iones de hidrógeno) realizada a través de la MIP a partir de un trayecto de flujo de ánodo, con oxígeno presente en un trayecto de flujo de cátodo, produce agua. Es necesario eliminar de la pila de células de combustible el agua en exceso, para evitar el desborde y dar lugar a un deterioro consiguiente en el rendimiento. No obstante, es necesario que una cantidad de agua se encuentre presente en por lo menos el trayecto de flujo de cátodo para mantener la hidratación de la MIP, con el fin de lograr un rendimiento óptimo de la célula de combustible. La gestión de esta agua mediante la inyección y eliminación deliberadas, puede proporcionar también un mecanismo útil para eliminar el calor en exceso de la pila de células de combustible.
Para optimizar el rendimiento, puede emplearse agua de forma deliberada en tales sistemas de células de combustible a través de inyección, habitualmente en el trayecto de flujo de cátodo de la pila. Tales sistemas de células de combustible de inyección de agua tienen unas ventajas potenciales de un tamaño y una complejidad reducidos, en comparación con otros tipos de sistemas de células de combustible que emplean unos canales de enfriamiento separados. El agua puede inyectarse directamente en el trayecto de flujo de cátodo a través de unos colectores de distribución de agua, tal como se describe, por ejemplo, en el documento GB2409763.
Para los sistemas de inyección de agua, es importante que cualquier agua realimentada al trayecto de flujo de cátodo sea de alta pureza, con el fin de evitar la contaminación de la MIP y la consiguiente degradación del rendimiento de pila.
Para un sistema de células de combustible con agua inyectada, en el que se añade agua para el enfriamiento y la hidratación de células directamente a las membranas de célula de combustible, no se añade agua adicional alguna al sistema durante el funcionamiento normal. Para que lo anterior sea posible, el agua líquida se recupera de las corrientes de salida de la célula de combustible. La corriente de salida de cátodo de la célula de combustible es, en su mayor parte, una combinación de aire saturado y agua líquida, y la corriente de salida del ánodo es, en su mayor parte, una combinación de hidrógeno saturado y agua líquida. La mayoría del agua generada por la célula de combustible tiene lugar en el cátodo, con una pequeña proporción generada en el ánodo. Si el agua se inyecta en el cátodo de la célula de combustible, la mayoría del agua disponible para su recuperación también está, por lo tanto, en el cátodo.
El contenido en agua líquida de la corriente de salida de cátodo es habitualmente insuficiente para los requisitos de inyección de agua de la pila de células de combustible, debido a que el contenido en agua de la descarga se encuentra, en su mayor parte, en forma de vapor de agua. Por lo tanto, la temperatura de la corriente de descarga se reduce preferentemente (por ejemplo, usando un intercambiador de calor) con el fin de reducir el punto de rocío y de condensar por lo menos parte del vapor en agua líquida. También puede usarse un procedimiento de separación del agua líquida a partir de la corriente (por ejemplo, un separador ciclónico) con el fin de asegurar que se captura la mayoría del agua líquida disponible en la corriente. Dado el caudal relativamente bajo de la corriente de salida de ánodo, es habitual recuperar solo el contenido en agua líquida (por ejemplo, a través de una cuba de captación en línea) debido a que el beneficio del agua adicional disponible debido a la reducción del punto de rocío, por ejemplo, mediante el uso de un intercambiador de calor adicional, se ve superado por la complejidad aumentada del sistema requerido.
La conductividad del agua introducida en una pila de células de combustible con agua inyectada ha de mantenerse a un nivel lo bastante bajo para evitar efectos de corrosión. El agua líquida que sale de la pila de células de combustible puede contener fluoruro y/o productos de corrosión (por ejemplo, Fe, etc.) que aumentan la conductividad del agua debido a un aumento en los iones a partir de los sólidos disueltos totales. Asimismo, la conductividad del agua puede aumentar debido a cualquier reacción de corrosión galvánica que tenga lugar como resultado de la diferencia de potencial eléctrico entre los componentes. Esto puede minimizarse mediante una selección cuidadosa de los materiales y el diseño del sistema en conjunto.
Un aumento en la conductividad del agua inyectada en la pila de células de combustible puede contaminar el electrocatalizador y la membrana, conduciendo a una resistencia aumentada y a un rendimiento reducido. Por lo tanto, debería controlarse la conductividad del agua introducida en una pila de células de combustible con agua inyectada que funcione en una configuración de ciclo cerrado.
Una solución es la inclusión de una columna de intercambio de iones en el sistema de células de combustible para ‘pulir’ el agua. No obstante, esto puede ser poco práctico debido a las restricciones de empaquetado del sistema o a los requisitos de frecuencia de servicio, debido a que habitualmente se requiere una unidad relativamente grande
con el fin de requerir una sustitución a intervalos similares a otros artículos de servicio (por ejemplo, filtros) en el sistema.
Es un objetivo de la invención abordar uno o más de los problemas que se mencionan anteriormente.
El documento GB2409763 da a conocer unos procedimientos de gestión de agua en células de combustible, en los que se usa un procedimiento de calibración para determinar una óptima cantidad o intervalo de cantidades de agua líquida que ha de entregarse a unos canales de flujo de fluido de cátodo en unas condiciones de funcionamiento variables.
El documento EP1333518 da a conocer un sistema de células de combustible que comprende una resina de intercambio de iones que se usa para mantener la calidad del agua de enfriamiento, en el que se acciona una bomba de suministro de agua cuando un valor indicado por un visualizador de calidad de agua se vuelve peor que un umbral.
De acuerdo con la invención, se proporciona un procedimiento de accionamiento de un sistema de células de combustible y un sistema de células de combustible, tal como se define mediante las reivindicaciones adjuntas.
Al eliminar la cantidad de agua de la pila de células de combustible como una proporción de la cantidad total de agua que se genera durante el funcionamiento como una función de un parámetro operativo de la pila, el agua refrigerante en el sistema de células de combustible puede mantenerse a un nivel deseado de pureza que depende de cómo esté funcionando la célula de combustible.
El parámetro operativo es una corriente eléctrica que se extrae de la pila de células de combustible a lo largo del periodo de tiempo. La proporción de la cantidad total de agua eliminada del circuito de enfriamiento de ciclo cerrado puede encontrarse en proporción con la corriente que se extrae a lo largo del periodo de tiempo. La cantidad de agua eliminada y añadida depende entonces de lo exigente que sea el funcionamiento de la célula de combustible, es decir, de cuánta corriente se esté suministrando, lo que se encuentra en relación directa con la cantidad de combustible usado.
En otros ejemplos que se dan a conocer en el presente documento, el parámetro operativo puede ser, como alternativa, la conductividad eléctrica, el pH o los sólidos disueltos totales en el agua dentro del circuito de enfriamiento de ciclo cerrado. La proporción de la cantidad total de agua eliminada del circuito de enfriamiento de ciclo cerrado puede ser una función de una diferencia entre un punto de referencia predeterminado y el parámetro operativo. Estos parámetros pueden usarse como una verificación adicional para asegurar que la calidad de agua refrigerante se mantiene dentro de los niveles deseados.
En otros ejemplos que se dan a conocer en el presente documento, la cantidad de agua puede determinarse mediante el control de una temperatura de salida de un intercambiador de calor en comunicación de fluidos con una línea de descarga de cátodo de la pila de células de combustible, por ejemplo dirigiendo el agua eliminada del circuito de enfriamiento de ciclo cerrado hacia una superficie externa del intercambiador de calor. Al dirigir selectivamente una proporción del agua (que puede encontrarse en forma de vapor) expulsada desde la pila hacia un intercambiador de calor, solo se requiere un enfriamiento adicional para convertir el vapor de agua en agua líquida cuando se necesita más refrigerante y, cuando este no se requiere, el agua en exceso puede expulsarse como vapor junto con gran parte del calor.
La cantidad de agua eliminada del circuito de enfriamiento de ciclo cerrado puede determinarse mediante el control del funcionamiento de una bomba en comunicación de fluidos con el circuito de enfriamiento de ciclo cerrado. La bomba puede accionarse de forma intermitente, con un ciclo de trabajo proporcional a la cantidad de agua que ha de eliminarse del circuito de enfriamiento. Al accionar la bomba solo cuando es necesario, las cargas parásitas en la célula de combustible pueden reducirse.
La cantidad de agua que ha de eliminarse puede calcularse de acuerdo con la relación
en la que Wr es la cantidad de agua que ha de eliminarse del circuito de enfriamiento, I es la corriente que se extrae de la pila de células de combustible que tiene n células, F es la constante de Faraday y � es una constante predeterminada. Preferentemente, la constante � es aproximadamente 0,1.
La invención se describirá a continuación solo a modo de ejemplo y en relación con el dibujo adjunto, en el que la figura 1 muestra una representación esquemática de un sistema de células de combustible para su uso de acuerdo con la invención.
El sistema de células de combustible 100, tal como se muestra en la figura 1, comprende por lo menos una pila de células de combustible 110 y diversos componentes conectados para la eliminación de agua, tal como un
intercambiador de calor 120 y unos separadores de agua ciclónicos 130a, 130b en las líneas de salida de ánodo y de cátodo 140, 150, respectivamente. Estos componentes posibilitan que el agua líquida se recupere de las corrientes de salida. La corriente de fluido que pasa a través de la línea de salida de ánodo 140 comprende gas hidrógeno saturado en agua y agua líquida a partir del volumen de ánodo en la pila 110, mientras que la corriente de fluido que pasa a través de la línea de salida de cátodo 150 comprende aire saturado en agua y agua líquida a partir del volumen de cátodo en la pila 110. La corriente de salida de cátodo pasa al intercambiador de calor 120, el cual está diseñado para enfriar la corriente de salida de cátodo lo bastante como para permitir que se extraiga el agua líquida. El agua líquida extraída puede recircularse a continuación hacia el circuito de enfriamiento de ciclo cerrado.
El sistema de células de combustible está configurado para capturar una proporción del agua que se descarga en la línea de descarga de cátodo 150 de la pila de células de combustible 110 y para reciclar esa proporción para el enfriamiento y la hidratación de las membranas en la pila de células de combustible. La proporción se controla como una fracción de un parámetro operativo de la pila de células de combustible, tal como se detalla adicionalmente en lo sucesivo.
Un circuito de enfriamiento de ciclo cerrado en el sistema de células de combustible que se muestra en la figura 1 puede definirse mediante la pila de células de combustible 110, la línea de salida de cátodo 150, el intercambiador de calor 120, el separador de agua 130b, una línea de retorno de agua de cátodo 151 que conduce a un recipiente de almacenamiento de agua 160 y una línea de inyección de agua 152 que conduce de vuelta a la pila de células de combustible 110. La línea de inyección de agua 152 conduce, preferentemente, a los volúmenes de cátodo dentro de la pila, en la que puede lograrse de forma más efectiva un enfriamiento directo. El circuito de ciclo cerrado también puede incluir la línea de salida de ánodo 140, el separador de agua 130a y la línea de retorno de agua de ánodo 141, que también conduce al recipiente de almacenamiento de agua 160. Unas bombas 180a, 180b, 180c pueden incluirse en la línea de retorno de agua de cátodo 151, la línea de retorno de agua de ánodo 141 y la línea de eliminación de agua 170, respectivamente, para ayudar al transporte de agua alrededor y fuera del circuito de enfriamiento. Una bomba adicional (que no se muestra) se incluye preferentemente en el interior del recipiente de almacenamiento de agua 160 para bombear el agua refrigerante a través de la línea de inyección de agua 152 al interior de la célula de combustible 110.
La totalidad del agua de reacción generada en la pila de células de combustible 110 se introduce en el circuito de enfriamiento de ciclo cerrado, pero no se pasa la totalidad de esta agua más allá a través de la línea de entrada de inyección de agua de cátodo 152.
El recipiente de almacenamiento de agua 160 preferentemente comprende un sensor de nivel 165 para determinar el nivel del agua 166 en el interior del recipiente 160.
El agua en el circuito de enfriamiento de ciclo cerrado se controla de acuerdo con los requisitos de enfriamiento y de humidificación de la pila de células de combustible 110, calculándose esta habitualmente en su forma básica como una función de la corriente de accionamiento de la pila de células de combustible 110. El agua en exceso del circuito de enfriamiento puede eliminarse del sistema a través de la línea de eliminación de agua por medio de la bomba 180c.
Ha de entenderse que se pretende que las referencias al agua a través de la totalidad de la memoria descriptiva abarquen tanto agua líquida como vapor de agua, a menos que el contexto implique o especifique lo contrario.
Un compresor de aire 111 se dispone para forzar el aire al interior del volumen de cátodo de la pila de células de combustible 110 a través de una entrada de aire de cátodo 112. El combustible, en forma de gas hidrógeno, se introduce en el volumen de ánodo de la pila de células de combustible 110 a través de una línea de entrada de ánodo 113.
La temperatura de salida de la corriente que sale del acceso de salida de intercambiador de calor 125 se controla de tal modo que se recupera suficiente agua líquida para permitir que se mantenga un nivel 166 adecuado en el interior del recipiente de almacenamiento de agua 160. Habitualmente, se elige un punto de referencia de un 85 % de compleción para el nivel 166 en el recipiente de almacenamiento de agua 160, usándose el 15 % restante como un amortiguador para permitir la histéresis debido a la inercia térmica del intercambiador de calor 120. Se permite, por lo tanto, que fluya una cantidad de agua líquida a través de la línea de retorno de agua de cátodo 151 al interior del recipiente de almacenamiento de agua, de acuerdo con el punto de referencia elegido. El control del sistema 100 se establece preferentemente de tal modo que el nivel de agua 166 en el interior del recipiente de almacenamiento de agua 160 se mantiene con independencia del agua que sale del recipiente a través de la línea de eliminación de agua 170. No obstante, si se elige un nivel de punto de referencia de, por ejemplo, un 95 %, la histéresis térmica a medida que se reduce el enfriamiento de intercambiador de calor puede ser tal que será necesario eliminar el agua adicional del recipiente de almacenamiento de agua 160. Si las características térmicas del intercambiador de calor 120 son conocidas (o bien a través de cálculo o bien por procedimientos empíricos), también será conocida la cantidad de agua eliminada del recipiente de almacenamiento de agua 160 debido al desbordamiento. Por lo tanto, es posible controlar el enfriamiento de intercambiador de calor de tal modo que se elimina una cantidad requerida de agua del recipiente de almacenamiento de agua 160.
Un medio más preciso de eliminación del agua líquida del recipiente de almacenamiento es mediante el uso de una bomba 180c. Una bomba de este tipo puede ser o bien continuamente variable o bien de funcionamiento fijo. Si la bomba 180c es continuamente variable de acuerdo con un punto de referencia, el caudal como una función del punto de referencia se obtiene con la bomba 180c proporcionando líquido a la atmósfera a través de la línea de eliminación de agua 170. Por lo tanto, estos datos pueden usarse para lograr un caudal requerido mediante el ajuste en consecuencia del punto de referencia. Con una bomba de funcionamiento fijo, el caudal de la bomba se calibra con esta bombeando agua a la atmósfera. Este caudal es, por lo tanto, el máximo que puede lograrse. Si se requiere un caudal por debajo de este máximo, la bomba 180c puede encenderse y apagarse, de acuerdo con un ciclo de trabajo adecuado. Habitualmente, a lo largo de un periodo de tiempo dado, la bomba 180c funcionará durante un porcentaje de este tiempo de acuerdo con la relación del caudal requerido con respecto al máximo. Por ejemplo, si la bomba 180c se calibra para suministrar 100 ml/min y se requiere un caudal de 25 ml/min, entonces la bomba se enciende durante 15 segundos, y a continuación se apaga durante 45 segundos, repitiéndose este ciclo cada 60 segundos. Así como una precisión aumentada, el uso de una bomba 180c para eliminar el agua tiene un beneficio adicional cuando el sistema de células de combustible 100 comprende un intercambiador de calor 120 enfriado por aire. En esta situación, el agua en exceso a partir de la línea de eliminación de agua 170 puede pulverizarse sobre el intercambiador de calor 120 para ayudar al enfriamiento y permitir, por lo tanto, que el intercambiador de calor 120 sea más pequeño de lo que se requeriría de lo contrario para generar el agua líquida para reaprovisionar el circuito de enfriamiento.
La cantidad de agua líquida que debería añadirse a y eliminarse del sistema de ciclo cerrado puede calcularse como una función de la cantidad total de agua que se genera debido a la reacción electroquímica en la pila de células de combustible 110. Esto puede calcularse tal como sigue.
en la que I es la corriente de pila de células de combustible (en amperios), n es el número de células en la pila de células de combustible 110 y F es la constante de Faraday (aproximadamente 96,5 x 103 culombios por mol). La relación anterior supone una pila de células de combustible dispuesta de forma eléctrica una en serie con otra, en la que la misma corriente pasa a través de cada célula.
La masa molecular relativa del agua es de 18,0 g mol–1, y la densidad del agua es de 0,998 g cm–3 a 20 ºC, por lo tanto:
La cantidad de agua líquida que ha de eliminarse del circuito de enfriamiento, Wr, puede expresarse como,
en la que es la proporción de agua líquida que ha de eliminarse, en comparación con la cantidad total de agua generada por la pila de células de combustible 110.
Un valor preferido para es 0,1 debido a que este proporciona un equilibrio aceptable entre el tamaño del intercambiador de calor y la dilución del agua líquida dentro del ciclo cerrado, a pesar de que puede hacerse que este valor varíe de acuerdo con los requisitos. En general, la cantidad de agua que ha de eliminarse para cualquier tamaño dado de célula de combustible puede describirse como directamente proporcional a la corriente de pila de células de combustible.
Una alternativa al enfoque anterior es medir la conductividad u otro parámetro operativo (por ejemplo, el pH, los sólidos disueltos totales, etc.) del agua líquida que se introduce en la pila de células de combustible 110. La cantidad de agua que ha de eliminarse del sistema, y por lo tanto la cantidad de agua líquida que ha de extraerse de la línea de salida de cátodo 150, puede obtenerse como una función de un error calculado entre un punto de referencia de la conductividad o de otro parámetro y el valor medido. Podría usarse un ciclo de control convencional (por ejemplo, proporcional, integral, derivativo: PID) para el presente fin, estableciéndose el ciclo de control para permitir la inercia térmica del intercambiador de calor 120.
El sistema de células de combustible comprende, preferentemente, un controlador computarizado adecuado que está conectado con los diversos componentes relevantes del sistema de células de combustible 100. El controlador está configurado para determinar de forma automática la cantidad de agua que ha de eliminarse del circuito de 5 enfriamiento de ciclo cerrado como una función de un parámetro operativo particular. Por ejemplo, el controlador puede configurarse para supervisar la corriente que se extrae de la pila 110, determinar a partir de esta medición la cantidad de agua que ha de eliminarse del circuito de enfriamiento de ciclo cerrado, y ajustar el funcionamiento de las bombas 180a, 180b, 180c en consecuencia. El controlador puede configurarse para controlar el funcionamiento de los separadores 130a, 130b de agua y la cantidad de agua (de haber alguna) que ha de pulverizarse hacia el
10 intercambiador de calor 120 para un enfriamiento adicional.
El controlador puede configurarse para supervisar parámetros operativos tales como la conductividad del agua, el pH o los sólidos disueltos, y ajustar la cantidad de agua líquida eliminada del circuito de enfriamiento en consecuencia. Por ejemplo, si se eleva la conductividad del agua líquida dentro del circuito de enfriamiento, el controlador puede configurarse para aumentar la cantidad de agua líquida eliminada de, y añadida a, el circuito de
15 enfriamiento, con el fin de diluir el agua de enfriamiento con agua potable generada en la pila de células de combustible 110, y reducir de este modo la conductividad del agua en el circuito de enfriamiento.
Otras realizaciones se encuentran intencionadamente dentro del alcance de la invención, tal como se define por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (13)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Un procedimiento de operación de un sistema de células de combustible (100) que comprende una pila de células de combustible (110) y un circuito de enfriamiento de agua de ciclo cerrado para la inyección directa de agua de enfriamiento en la pila (110), comprendiendo el procedimiento:
    medir un parámetro operativo del sistema de células de combustible (100) a lo largo de un periodo de tiempo; añadir una cantidad de agua líquida al circuito de enfriamiento de ciclo cerrado a partir de una cantidad total de agua generada por la pila de células de combustible (110) durante el funcionamiento de la pila de células de combustible (110) a lo largo del periodo de tiempo; y caracterizado por eliminar la cantidad de agua líquida del circuito de enfriamiento de ciclo cerrado, en el que la cantidad de agua líquida como proporción de la cantidad total de agua que se genera durante el funcionamiento de la pila de células de combustible (110) a lo largo del periodo de tiempo lo determina de forma automática el sistema de células de combustible como una función del parámetro operativo, en el que el parámetro operativo es una corriente eléctrica que se extrae de la pila de células de combustible
    (110) a lo largo del periodo de tiempo.
  2. 2.
    El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la proporción de la cantidad total de agua eliminada del circuito de enfriamiento de ciclo cerrado se encuentra en proporción con la corriente que se extrae a lo largo del periodo de tiempo.
  3. 3.
    El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende controlar una temperatura de salida de un intercambiador de calor (120) en comunicación de fluidos con una línea de descarga de cátodo (150) de la pila de células de combustible (100) dirigiendo el agua eliminada del circuito de enfriamiento de ciclo cerrado hacia una superficie externa del intercambiador de calor (120).
  4. 4.
    El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la cantidad de agua eliminada del circuito de enfriamiento de ciclo cerrado se determina mediante el control del funcionamiento de una bomba (180a–c) en comunicación de fluidos con el circuito de enfriamiento de ciclo cerrado.
  5. 5.
    El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 4, en el que la bomba (180a–c) se acciona de forma intermitente con un ciclo de trabajo proporcional a la cantidad de agua que ha de eliminarse del circuito de enfriamiento.
  6. 6.
    El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la cantidad de agua se calcula de acuerdo con la relación
    en la que Wr es la cantidad de agua que ha de eliminarse del circuito de enfriamiento, I es la corriente que se extrae de la pila de células de combustible (110) que tiene n células, F es la constante de Faraday y es una constante predeterminada.
  7. 7.
    El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 6, en el que es aproximadamente 0,1.
  8. 8.
    Un sistema de células de combustible (100) que comprende una pila de células de combustible (110), un circuito de enfriamiento de agua de ciclo cerrado para la inyección directa de agua de enfriamiento en la pila (110) y un controlador computarizado, estando configurado el controlador para, de forma automática:
    medir un parámetro operativo del sistema de células de combustible a lo largo de un periodo de tiempo; añadir una cantidad de agua líquida al circuito de enfriamiento de ciclo cerrado a partir de la cantidad total de agua que se genera durante el funcionamiento de la pila de células de combustible (110) a lo largo del periodo de tiempo; y caracterizado porque el controlador está configurado para eliminar de forma automática la cantidad de agua líquida del circuito de enfriamiento de ciclo cerrado, en el que el controlador está configurado para eliminar la cantidad de agua líquida como una proporción de la cantidad total de agua que se genera durante el funcionamiento de la pila de células de combustible (110) a lo largo del periodo de tiempo como una función del parámetro operativo, en el que el parámetro operativo es la corriente eléctrica que se extrae de la pila de células de combustible
    (110) a lo largo del periodo de tiempo.
  9. 9.
    El sistema de células de combustible (100) de acuerdo con la reivindicación 8, en el que la proporción de la cantidad total de agua que se genera se encuentra en proporción con la corriente que se extrae a lo largo del periodo de tiempo.
  10. 10.
    El sistema de células de combustible (100) de acuerdo con la reivindicación 8, en el que el controlador está configurado para expulsar agua del circuito de enfriamiento de ciclo cerrado hacia un intercambiador de calor (120) en comunicación de fluidos con una línea de descarga de cátodo (150) de la pila de células de combustible (110) para controlar una temperatura de salida del intercambiador (120) de calor.
    5 11. El sistema de células de combustible (100) de acuerdo con la reivindicación 8, en el que el controlador está configurado para controlar la cantidad de agua eliminada del circuito de enfriamiento de ciclo cerrado mediante el control del funcionamiento de una bomba (180a–c) en comunicación de fluidos con el circuito de enfriamiento de ciclo cerrado.
  11. 12. El sistema de células de combustible (100) de acuerdo con la reivindicación 11, en el que el controlador está
    10 configurado para accionar la bomba (180a–c) de forma intermitente con un ciclo de trabajo proporcional a la cantidad de agua que ha de eliminarse del circuito de enfriamiento.
  12. 13. El sistema de células de combustible (100) de acuerdo con la reivindicación 8, en el que el controlador está configurado para calcular de forma automática la cantidad de agua de acuerdo con la relación
    15 en la que Wr es la cantidad de agua que ha de eliminarse del circuito de enfriamiento, I es la corriente que se extrae de la pila de células de combustible que tiene n células, F es la constante de Faraday y es una constante predeterminada.
  13. 14. El sistema de células de combustible (100) de acuerdo con la reivindicación 13, en el que es aproximadamente 0,1.
ES09752443T 2008-10-30 2009-10-28 Enfriamiento de célula de combustible Active ES2418480T3 (es)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB0819863.2A GB2464946B (en) 2008-10-30 2008-10-30 Fuel cell cooling
GB0819863 2008-10-30
PCT/GB2009/002560 WO2010049683A1 (en) 2008-10-30 2009-10-28 Fuel cell cooling

Publications (1)

Publication Number Publication Date
ES2418480T3 true ES2418480T3 (es) 2013-08-14

Family

ID=40134042

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ES09752443T Active ES2418480T3 (es) 2008-10-30 2009-10-28 Enfriamiento de célula de combustible

Country Status (14)

Country Link
US (2) US20110236781A1 (es)
EP (1) EP2342776B1 (es)
JP (1) JP5694942B2 (es)
KR (1) KR101640806B1 (es)
CN (1) CN102203999B (es)
AR (1) AR074064A1 (es)
BR (1) BRPI0920444A2 (es)
CA (1) CA2741180A1 (es)
ES (1) ES2418480T3 (es)
GB (1) GB2464946B (es)
MX (1) MX2011004545A (es)
TW (1) TWI459626B (es)
WO (1) WO2010049683A1 (es)
ZA (1) ZA201103066B (es)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111193048A (zh) 2012-04-02 2020-05-22 水吉能公司 燃料电池模块及其启动、关闭和重新启动的方法
US9368814B2 (en) 2012-05-04 2016-06-14 Hydrogenics Corporation System and method for controlling fuel cell module
US10084196B2 (en) 2012-05-04 2018-09-25 Hydrogenics Corporation System and method for controlling fuel cell module
CA2925798C (en) 2013-10-02 2022-10-18 Hydrogenics Corporation System and method for starting up a fuel cell
US11309556B2 (en) 2013-10-02 2022-04-19 Hydrogenics Corporation Fast starting fuel cell
DE102013221876A1 (de) * 2013-10-28 2015-04-30 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Kraftfahrzeug, Verfahren zur Regelung eines Füllstandes eines Wassertanks in einem ein Brennstoffzellensystem umfassenden Kraftfahrzeug und Verwendung von Signalen und/oder Daten eines Kraftfahrzustandes und/oder einer Kraftfahrzeugumgebung
GB2533265B (en) * 2014-12-01 2021-09-15 Intelligent Energy Ltd Fuel cell system
KR102564015B1 (ko) * 2018-05-17 2023-08-07 현대자동차주식회사 연료전지 시스템 및 그의 제어방법
EP3866236A1 (en) * 2020-02-11 2021-08-18 Airbus Operations GmbH Cooling circuit operable with fuel of a fuel cell system and vehicle with a cooling circuit
CN114300708B (zh) * 2021-12-29 2024-03-26 潍柴动力股份有限公司 一种燃料电池冷却液自动加水排气方法

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4372759A (en) * 1981-08-28 1983-02-08 United Technologies Corporation Electrolyte vapor condenser
US4362789A (en) * 1981-09-21 1982-12-07 Westinghouse Electric Corp. Fuel cell cooling and recirculation system
US4782669A (en) * 1986-11-17 1988-11-08 International Fuel Cells Corporation Cooling system for a burst power fuel cell
JP4543440B2 (ja) * 1997-12-22 2010-09-15 株式会社エクォス・リサーチ 水直噴型燃料電池システム
JP2001256989A (ja) * 2000-03-08 2001-09-21 Honda Motor Co Ltd 燃料電池の加湿装置
CN1217439C (zh) * 2000-10-20 2005-08-31 松下电器产业株式会社 燃料电池系统及其运转方法
JP2002313383A (ja) * 2001-04-11 2002-10-25 Denso Corp 燃料電池システム
JP3438725B2 (ja) * 2001-06-08 2003-08-18 日産自動車株式会社 車両用冷却装置
DE10197246T5 (de) * 2001-06-15 2004-10-14 Kabushiki Kaisha Toshiba Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle und Stromversorgungssystem mit Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen
GB2396688B (en) * 2002-11-22 2006-06-28 Intelligent Energy Ltd Thermal energy management in electrochemical fuel cells
US7118820B2 (en) * 2003-11-26 2006-10-10 Utc Fuel Cells, Llc Method and apparatus for humidification control of an energy recovery device in a fuel cell power plant
GB2409763B (en) * 2003-12-31 2007-01-17 Intelligent Energy Ltd Water management in fuel cells
WO2005074064A1 (ja) * 2004-01-30 2005-08-11 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. 燃料電池システム
JP2006040610A (ja) * 2004-07-23 2006-02-09 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2006269156A (ja) * 2005-03-23 2006-10-05 Toyota Motor Corp 固体高分子電解質型燃料電池の制御装置及びその制御方法
US7862935B2 (en) * 2005-05-17 2011-01-04 Gm Global Technology Operations, Inc. Management via dynamic water holdup estimator in a fuel cell
CA2577766A1 (en) * 2006-02-17 2007-08-17 Nuvera Fuel Cells, Inc. Method of cleaning fuel cell
US7846593B2 (en) * 2006-05-25 2010-12-07 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Heat and water management device and method in fuel cells
JP2008251439A (ja) * 2007-03-30 2008-10-16 Equos Research Co Ltd 燃料電池システム

Also Published As

Publication number Publication date
GB0819863D0 (en) 2008-12-03
US20230317981A1 (en) 2023-10-05
TW201021277A (en) 2010-06-01
MX2011004545A (es) 2011-05-24
TWI459626B (zh) 2014-11-01
KR101640806B1 (ko) 2016-07-19
GB2464946A (en) 2010-05-05
JP5694942B2 (ja) 2015-04-01
EP2342776B1 (en) 2013-05-08
JP2012507130A (ja) 2012-03-22
GB2464946B (en) 2012-05-16
ZA201103066B (en) 2013-09-25
AR074064A1 (es) 2010-12-22
CN102203999A (zh) 2011-09-28
KR20110081305A (ko) 2011-07-13
CN102203999B (zh) 2014-04-09
WO2010049683A8 (en) 2013-02-14
WO2010049683A1 (en) 2010-05-06
EP2342776A1 (en) 2011-07-13
US20110236781A1 (en) 2011-09-29
BRPI0920444A2 (pt) 2015-12-22
CA2741180A1 (en) 2010-05-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
ES2418480T3 (es) Enfriamiento de célula de combustible
KR100567357B1 (ko) 수전해 장치
US20200044264A1 (en) Fuel cell system
US20060222923A1 (en) Direct methanol fuel cell system
JP2012507130A6 (ja) 燃料電池の冷却
US7267900B2 (en) Fuel cell system
US10741857B2 (en) Fuel cell system
US20120070751A1 (en) Closed loop type fuel cell system
KR101459780B1 (ko) 연료전지 시스템의 가습 장치 및 방법
JP2000243422A (ja) 燃料電池システムおよび燃料電池の冷却方法
JP2021088734A (ja) 水素圧縮装置
US11870111B2 (en) Water electrolysis and electricity generating system
WO2005112157A2 (en) Fuel cell system with designed water reservoir and vehicle transporting the same
KR20190081381A (ko) 연료전지 시스템의 수소 분압 제어방법
US8273501B2 (en) System and method for hydrating a proton exchange membrane fuel cell
US11764374B2 (en) Water electrolysis and electricity generating system
JP6071343B2 (ja) 燃料濃度制御装置
US20220311029A1 (en) Method of operating water electrolysis and electricity generating system
US20240021850A1 (en) Gas conveying unit, system consisting of a gas conveying unit and a water separating device, and fuel cell system
JP2016048664A (ja) 燃料電池システム
JP2014049340A (ja) 燃料電池システム
JP2005108658A (ja) 直接液体燃料形燃料電池システムおよびその運転方法
CN101989659A (zh) 燃料电池系统及其燃料补充方法