ES2553303B1 - ELECTRICAL POWER GENERATION SYSTEM - Google Patents

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ES2553303B1 ES201430656A ES201430656A ES2553303B1 ES 2553303 B1 ES2553303 B1 ES 2553303B1 ES 201430656 A ES201430656 A ES 201430656A ES 201430656 A ES201430656 A ES 201430656A ES 2553303 B1 ES2553303 B1 ES 2553303B1
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Abstract

Sistema de generación de potencia eléctrica que posee una serie de módulos (1) de apilamiento de celdas tipo PEM, alimentados por una fuente de hidrógeno (8), cuya presión debe regularse preferentemente a presión casi ambiente. Comprende también un subsistema de control y monitorización de cada apilamiento, que puede activarlos y desactivarlos individualmente.#El subsistema de control y monitorización puede monitorizar los módulos mediante la recepción, por cada módulo, de la señal de un amperímetro, un voltímetro del apilamiento y un subsistema de detección de tensión de celda por cada celda del apilamiento del módulo. Esta recepción se puede hacer en un primer nivel del subsistema de control y monitorización, por medio de controladores locales por cada módulo, los cuales son coordinados en un nivel superior por una única unidad de control superior. Un subsistema de gestión de celda verificará a partir de estas señales que la celda no sufre corrientes de corrosión.Electric power generation system that has a series of modules (1) for stacking PEM type cells, powered by a hydrogen source (8), whose pressure should preferably be regulated at near ambient pressure. It also includes a control and monitoring subsystem of each stack, which can be activated and deactivated individually. # The control and monitoring subsystem can monitor the modules by receiving, for each module, the signal of an ammeter, a voltmeter of the stacking and a cell voltage detection subsystem for each cell in the module stack. This reception can be done at a first level of the control and monitoring subsystem, by means of local controllers for each module, which are coordinated at a higher level by a single higher control unit. A cell management subsystem will verify from these signals that the cell does not suffer corrosion currents.

Description

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DESCRIPCIONDESCRIPTION

SISTEMA DE GENERACION DE POTENCIA ELECTRICA SECTOR DE LA TECNICAELECTRICAL POWER GENERATION SYSTEM TECHNICAL SECTOR

La presente invention se refiere a un sistema de generation de potencia electrica regulada, modular y no contaminante, basado en la implementation modular de apilamientos de celdas de combustible tipo PEM alimentadas por hidrogeno, junto con sistemas de instrumentation, control y monitorizacion incluidos.The present invention relates to a regulated, modular and non-polluting electric power generation system, based on the modular implementation of hydrogen-fueled PEM type cell stacks, together with instrumentation, control and monitoring systems included.

Es de aplicacion en el sector de la generacion de electricidad.It is applicable in the electricity generation sector.

ESTADO DE LA TECNICASTATE OF THE TECHNIQUE

El funcionamiento de las celdas de membrana de intercambio protonico (PEM) apiladas para generar energla electrica a partir de hidrogeno sufre de problemas que las deterioran, lo cual origina que su tiempo de vida sea relativamente corto (por termino medio entre 4.000 y 5.000 horas).The operation of the proton exchange membrane (PEM) cells stacked to generate electrical energy from hydrogen suffers from problems that deteriorate them, which causes their life span to be relatively short (on average between 4,000 and 5,000 hours) .

Las celdas PEM conocidas se refrigeran por agua y requieren un suministro de hidrogeno a presion muy alta (5-10 bares), que solo en algunos disenos es capaz de reducirse a 2 bares. La refrigeration por agua requiere un mecanismo de gestion termica complejo, voluminoso, pesado y caro. El agua no es solo el producto de la reaction electroqulmica del apilamiento, sino tambien es crltica para garantizar un funcionamiento eficaz y estable. Por lo tanto, simplificando el sistema de gestion termica, se reducirlan los costes y la complejidad.The known PEM cells are cooled by water and require a very high pressure hydrogen supply (5-10 bar), which only in some designs is able to be reduced to 2 bars. Water cooling requires a complex, bulky, heavy and expensive thermal management mechanism. Water is not only the product of the electrochemical reaction of the stack, but it is also critical to ensure efficient and stable operation. Therefore, by simplifying the thermal management system, costs and complexity will be reduced.

En cuanto a la alimentation de hidrogeno a altas presiones, implica un mayor coste de diseno as! como mayor riesgo de fuga y explosion.As for the hydrogen feed at high pressures, it implies a higher design cost as well! as greater risk of leakage and explosion.

Igualmente, los sistemas de generacion de energla electrica mediante apilamiento de celdas de combustible conocidos son elementos de gestion rlgida, en cuanto no permiten variar su capacidad de forma rapida, produciendose en ocasiones sobrecargas que danan las celdas.Likewise, electric power generation systems by stacking known fuel cells are rigid management elements, in that they do not allow to vary their capacity quickly, sometimes causing overloads that damage the cells.

No se conoce tampoco ningun sistema que permita gestionar las horas de funcionamiento de los diferentes apilamientos, distribuyendo la generacion de electricidad para reducir las probabilidades de deterioro o agotamiento del tiempo de vida operativo.There is also no known system that allows managing the operating hours of the different stacks, distributing the generation of electricity to reduce the chances of deterioration or depletion of the operating life time.

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BREVE EXPLICACION DE LA INVENCIONBRIEF EXPLANATION OF THE INVENTION

La invention consiste en un sistema de generation de potencia electrica, que produce potencia electrica regulada directamente a partir de hidrogeno mediante una reaction electroqulmica, que es intrlnsecamente mas eficiente que la combustion y reduce al mlnimo los efectos adversos asociados al proceso de combustion (entre otros, ruido excesivo, emisiones contaminantes y mantenimiento). El sistema puede funcionar de forma continua (24h/dla durante 365 dlas al ano), esto es, durante todo el tiempo que el hidrogeno le sea suministrado, por lo que al contrario de otras fuentes de energla renovable, la production de energla electrica del sistema objeto de la invencion es independiente de las condiciones climatologicas.The invention consists of an electric power generation system, which produces regulated electric power directly from hydrogen by means of an electrochemical reaction, which is intrinsically more efficient than combustion and minimizes the adverse effects associated with the combustion process (among others , excessive noise, polluting emissions and maintenance). The system can operate continuously (24 hours a day for 365 days a year), that is, for as long as the hydrogen is supplied, so unlike other sources of renewable energy, the production of electric energy from the System object of the invention is independent of the weather conditions.

El sistema comprende una serie de modulos, de forma que puede funcionar con el numero de ellos que requiera en cada momento, lo cual le permite generar a su salida una potencia regulada en el rango desde 0 hasta "n*p", siendo "n" el numero de modulos y "p" la potencia de cada uno de ellos supuestos todos iguales. Si as! no fuera, se podrla tener desde 0 hasta (p1 + p2 + ... + pn).The system comprises a series of modules, so that it can work with the number of them that you require at any time, which allows you to generate at your output a regulated power in the range from 0 to "n * p", being "n "the number of modules and" p "the power of each of them assumptions all the same. Yes so! if not, it could be from 0 to (p1 + p2 + ... + pn).

Con objeto de aumentar su tiempo de vida, el sistema objeto de la invencion monitoriza cada una de sus celdas (medidas de tension y corriente) para, mediante el sistema de control que lleva incorporado, gestionar y mitigar su envejecimiento.In order to increase its lifetime, the system object of the invention monitors each of its cells (voltage and current measurements) to, by means of the control system incorporated, manage and mitigate its aging.

El sistema desarrollado tiene ademas dos caracterlsticas adicionales que lo hacen especialmente simple: es refrigerado por aire y no requiere alta presion de suministro de hidrogeno, ya que de hecho puede funcionar a presion ambiente (similar a 1 bar). Para ello, los platos bipolares que delimitan cada celda del apilamiento se realizaran de forma adecuada, con canales mecanizados cuya configuration geometrica y diametro permitiran esta baja presion.The developed system also has two additional features that make it especially simple: it is air-cooled and does not require high hydrogen supply pressure, since in fact it can operate at ambient pressure (similar to 1 bar). For this, the bipolar plates that delimit each cell of the stack will be carried out properly, with mechanized channels whose geometric configuration and diameter will allow this low pressure.

La primera de las caracterlsticas permite que no existan partes moviles ni llquidas en el sistema de refrigeration, facilitando y simplificando su integration. La segunda aporta seguridad al sistema al no ser necesario trabajar con altas presiones de hidrogeno. Ambas caracterlsticas aportan reduction de volumenes, pesos y costes y simplifican el diseno.The first of the characteristics allows that there are no moving parts or liquids in the refrigeration system, facilitating and simplifying its integration. The second provides security to the system as it is not necessary to work with high hydrogen pressures. Both features provide reduction of volumes, weights and costs and simplify the design.

La invencion es, por lo tanto, un sistema de generation de potencia electrica con una serie de modulos, como mlnimo dos, pero preferentemente mas, cada uno con un apilamiento deThe invention is, therefore, an electric power generation system with a series of modules, at least two, but preferably more, each with a stack of

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celdas de membrana de intercambio protonico (PEM) y otros subsistemas necesarios, individuales o compartidos por varios apilamientos. El conjunto de modulos es alimentado por una fuente de hidrogeno o varias, que forman parte de un subsistema de hidrogeno (preferentemente a presion casi ambiente (proxima a 1 bar) y con una llnea de purga).Proton exchange membrane (PEM) cells and other necessary subsystems, individual or shared by several stacks. The set of modules is fed by a hydrogen source or several, which are part of a hydrogen subsystem (preferably at near ambient pressure (close to 1 bar) and with a purge line).

El sistema de la invention comprende un subsistema de control y monitorizacion de cada modulo, que los controla, pudiendo activar y desactivarlos individualmente.The system of the invention comprises a control and monitoring subsystem of each module, which controls them, being able to activate and deactivate them individually.

Como se ha resenado, cada modulo puede tener la misma potencia, con lo que se facilita la gestion, o potencias diferentes, lo cual aporta flexibilidad para activar los modulos en su potencia nominal cuando la carga electrica requiera niveles de potencia inferiores a la maxima.As it has been summarized, each module can have the same power, which facilitates the management, or different powers, which provides flexibility to activate the modules at their nominal power when the electric charge requires lower power levels than the maximum.

El subsistema de control y monitorizacion puede monitorizar cada apilamiento de cada modulo mediante la reception, por cada apilamiento, de la senal de un amperlmetro y un voltlmetro, as! como un sistema de detection de tension de celda por cada celda del apilamiento. Esta recepcion se puede hacer en un primer nivel del subsistema de control y monitorizacion, por medio de controladores locales por cada modulo, los cuales son coordinados en un nivel superior por una unica unidad de control superior.The control and monitoring subsystem can monitor each stack of each module by receiving, for each stack, the signal of an ammeter and a voltmeter, as well! as a cell tension detection system for each cell in the stack. This reception can be done at a first level of the control and monitoring subsystem, by means of local controllers for each module, which are coordinated at a higher level by a single superior control unit.

El sistema de deteccion de tension de celda se comunicara, a traves del subsistema de control y monitorizacion, con un sistema de gestion de celda, capaz de detectar su funcionamiento anomalo para actuar en consecuencia, por ejemplo comunicandolo a la unidad de control superior.The cell voltage detection system will communicate, through the control and monitoring subsystem, with a cell management system, capable of detecting its anomalous operation to act accordingly, for example by communicating it to the upper control unit.

Preferentemente, el subsistema de control y monitorizacion es accesible en llnea, ya sea por una red local o por internet.Preferably, the control and monitoring subsystem is accessible online, either by a local network or by internet.

Mas preferentemente, cuando la exigencia de potencia sea inferior a la maxima, la unidad de control superior distribuira homogeneamente las horas de funcionamiento entre todos los modulos para que el envejecimiento de sus apilamientos sea similar.More preferably, when the power requirement is lower than the maximum, the upper control unit will homogeneously distribute the operating hours among all the modules so that the aging of their stacks is similar.

Es preferido que los modulos posean sus respectivos subsistemas de oxigenacion/refrigeracion que aporten aire a las celdas, con la doble funcion de refrigerante y de aporte de oxlgeno al catodo.It is preferred that the modules have their respective oxygenation / refrigeration subsystems that provide air to the cells, with the double function of refrigerant and oxygen supply to the cathode.

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El sistema se complements de un simulador del funcionamiento (no lineal) del sistema. Preferiblemente este sera capaz de simular fallos y averlas.The system is complemented by a simulator of the operation (nonlinear) of the system. Preferably this will be able to simulate faults and failures.

DESCRIPCION DE LOS DIBUJOSDESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Para una mejor comprension de la invention, se incluyen las siguientes figuras.For a better understanding of the invention, the following figures are included.

Figura 1: representa un esquema de un modulo, el cual comprende el apilamiento de celdas y los subsistemas de oxigenacion/refrigeracion, de hidrogeno y electrico.Figure 1: represents a schematic of a module, which comprises the stacking of cells and the oxygenation / refrigeration, hydrogen and electrical subsystems.

Figura 2: representa el esquema general del subsistema de control y monitorizacion para cada modulo y del sistema completo.Figure 2: represents the general scheme of the control and monitoring subsystem for each module and the complete system.

Figura 3: representa un esquema de conexion para el caso en que se emplee un subsistema acondicionador con multiples entradas.Figure 3: represents a connection scheme for the case in which a conditioning subsystem with multiple inputs is used.

MODOS DE REALIZACION DE LA INVENCIONEMBODIMENTS OF THE INVENTION

A continuation se pasa a describir de manera breve un modo de realization de la invencion, como ejemplo ilustrativo y no limitativo de esta.Next, a mode of realization of the invention is briefly described as an illustrative and non-limiting example of this.

El sistema de la invencion parte de una serie de modulos (1) que constan de apilamientos de celdas (2) de membrana de intercambio protonico (PEM), preferiblemente refrigerados por aire para evitar la necesidad de humidificacion externa, ademas de los correspondientes subsistemas de oxigenacion/refrigeracion, de hidrogeno y electrico. En esencia, cada modulo (1) esta conformado por un esquema similar al de la Figura 1, aunque pueden compartir elementos, asl por ejemplo, la fuente de hidrogeno (8) puede ser compartida por todos o parte de los modulos (1).The system of the invention is based on a series of modules (1) consisting of stacks of proton exchange membrane cells (2), preferably air-cooled to avoid the need for external humidification, in addition to the corresponding subsystems of oxygenation / refrigeration, hydrogen and electric. In essence, each module (1) is made up of a scheme similar to that of Figure 1, although they can share elements, for example, the source of hydrogen (8) can be shared by all or part of the modules (1).

La refrigeration por aire se realiza por medio de un subsistema de oxigenacion/refrigeracion, que por un lado aporta el oxlgeno del aire al catodo, y por otro se encarga de refrigerar el apilamiento de celdas.Air cooling is carried out by means of an oxygenation / cooling subsystem, which on the one hand provides oxygen from the air to the cathode, and on the other hand is responsible for cooling the cell stack.

La cantidad de aire inyectada al apilamiento de celdas debe ser tal que garantice que trabaja en su temperatura optima de funcionamiento. Para ello requiere un sensor de temperaturaThe amount of air injected into the cell stack must be such that it guarantees that it works at its optimum operating temperature. This requires a temperature sensor

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de funcionamiento (3) de cada apilamiento de celdas (2), un sensor de temperatura del aire (4) entrante, y un sistema de ventilacion (5) o extraction de aire con capacidad de ajustar el flujo de aire inyectado o extraldo de cada apilamiento de celdas, y modificar la relation entre el volumen de aire aspirado y el volumen teoricamente necesario para una correcta reaccion (parametro lambda A).of operation (3) of each cell stack (2), an incoming air temperature sensor (4), and a ventilation system (5) or air extraction with the ability to adjust the flow of injected or extracted air from each stacking of cells, and modifying the relationship between the volume of air aspirated and the volume theoretically necessary for a correct reaction (lambda parameter A).

Preferentemente incorporara un sensor de oxlgeno (6), que mandara information al sistema de control descrito mas abajo para evitar situaciones de baja concentration de oxlgeno en la atmosfera circundante, y por lo tanto insuficiencia de oxidante en el catodo de cada celda del apilamiento, y un sensor de humedad relativa (7) para evitar condiciones ambientales extremas.Preferably it will incorporate an oxygen sensor (6), which will send information to the control system described below to avoid situations of low oxygen concentration in the surrounding atmosphere, and therefore insufficient oxidant in the cathode of each stacking cell, and a relative humidity sensor (7) to avoid extreme environmental conditions.

La alimentation de hidrogeno al anodo de cada celda (2) del apilamiento se realiza por el subsistema de hidrogeno. Este comprende una fuente de hidrogeno (8), y una llnea de conduction a cada apilamiento de celdas (2), con sus valvulas (9) de suministro, manometros (10) y reguladores de presion (11) para su control. La fuente de hidrogeno (8) puede ser individual o compartida por todos o parte de los modulos (1). El regulador de presion (11) sera necesario cuando haya que regular la alta presion del hidrogeno almacenado en la botella a la baja presion de suministro, pero no es necesario si la fuente de hidrogeno (8) aporta ya el hidrogeno a la presion requerida.The hydrogen feed to the anode of each cell (2) of the stack is carried out by the hydrogen subsystem. This comprises a source of hydrogen (8), and a line of conduction to each stack of cells (2), with its supply valves (9), pressure gauges (10) and pressure regulators (11) for control. The hydrogen source (8) can be individual or shared by all or part of the modules (1). The pressure regulator (11) will be necessary when the high pressure of the hydrogen stored in the bottle has to be regulated at the low supply pressure, but it is not necessary if the source of hydrogen (8) already supplies the hydrogen at the required pressure.

El hidrogeno debe ser suministrado al anodo de cada modulo de apilamiento de celdas a la presion y flujo correspondiente. En la practica, no todo el hidrogeno que entra en cada anodo se consume. En los anodos se va acumulando vapor de agua, nitrogeno y otros gases inertes, por lo que es recomendable purgarlos periodicamente.Hydrogen must be supplied to the anode of each cell stacking module at the corresponding pressure and flow. In practice, not all of the hydrogen that enters each anode is consumed. In the anodes water vapor, nitrogen and other inert gases accumulate, so it is advisable to purge them periodically.

Por ello, normalmente se instalaran dos llneas de hidrogeno: una para la entrada de este en cada apilamiento y otra para la purga del mismo. En la llnea de salida o purga de cada apilamiento de celdas se necesita una valvula de purga (12) para expulsar el hidrogeno no usado junto con los gases inertes al medio circundante. Ademas, es deseable anadir un sensor de hidrogeno (13) para evitar concentraciones en el aire circundante que supongan riesgo por estar dentro de los llmites considerados en atmosfera explosiva (inferior a la cuarta parte del llmite de inflamabilidad inferior).Therefore, two hydrogen lines will normally be installed: one for the entry of this into each stack and another for purging it. A purge valve (12) is needed in the outlet or purge line of each cell stack to expel unused hydrogen along with the inert gases into the surrounding environment. In addition, it is desirable to add a hydrogen sensor (13) to avoid concentrations in the surrounding air that pose a risk of being within the limits considered in an explosive atmosphere (less than a quarter of the lower flammability limit).

El aprovechamiento de la potencia electrica generada por cada apilamiento (2) se lleva a cabo mediante el subsistema electrico. Este subsistema conecta el apilamiento de celdas aThe use of the electrical power generated by each stack (2) is carried out by means of the electrical subsystem. This subsystem connects the stacking of cells to

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una carga electrica (14), disponiendo un contactor (15) por apilamiento para aislarlo de la carga electrica (14) y un diodo (16) de bloqueo para evitar corrientes inversas que puedan danar el apilamiento.an electric charge (14), providing a contactor (15) by stacking to isolate it from the electric charge (14) and a blocking diode (16) to avoid reverse currents that can damage the stacking.

Como medidas de protection del apilamiento de celdas (2), este puede disponer tambien de un amperlmetro del apilamiento (17) y un voltlmetro del apilamiento (18), que se conecta a los terminales electricos de cada apilamiento de celdas (2), as! como un subsistema de monitorizacion de la tension de cada celda individualmente (no representado) conectado a todas las celdas del apilamiento.As protection measures for cell stacking (2), it can also have a stacking ammeter (17) and a stacking voltmeter (18), which is connected to the electrical terminals of each cell stacking (2), as ! as a voltage monitoring subsystem of each cell individually (not shown) connected to all stacking cells.

El sistema de monitorizacion de celda vigila que ninguna celda entre en operation inversa, lo cual la danarla significativamente. Por su parte, el amperlmetro y el voltlmetro del apilamiento de celdas (17,18) permiten al subsistema de control y monitorizacion tener information y actuar para que cada apilamiento, disenado para operar dentro de un rango de valores de corriente y tension, no se degrade si se sobrepasan estos rangos.The cell monitoring system monitors that no cell goes into reverse operation, which will damage it significantly. On the other hand, the ammeter and the voltmeter of the cell stack (17,18) allow the control and monitoring subsystem to have information and act so that each stack, designed to operate within a range of current and voltage values, is not degrade if these ranges are exceeded.

Ademas, la combination del voltlmetro del apilamiento (18) de celdas y el subsistema de deteccion de tension de celda garantizan que ninguna de las celdas que conforman cada apilamiento opere en situation inversa, con una tension igual o inferior a cero voltios.In addition, the combination of the cell stacking voltmeter (18) and the cell voltage detection subsystem ensure that none of the cells that make up each stacking operate in the reverse situation, with a voltage equal to or less than zero volts.

Cada modulo (1) poseera una baterla (no representada) para la alimentation de los diferentes elementos del mismo en el arranque del modulo. Esta baterla podra ser recargada con parte de la potencia generada por el propio modulo.Each module (1) will have a battery (not shown) for the feeding of the different elements of the same at the start of the module. This battery can be recharged with part of the power generated by the module itself.

La invention puede comprender igualmente un subsistema de control y monitorizacion, que garantiza el optimo funcionamiento del sistema. Para ello controlara los modulos (1) de los que se componga el sistema, con objeto de que estos esten activos en funcion de la demanda solicitada por la carga y de su estado de uso. Esto traera los beneficios siguientes:The invention may also comprise a control and monitoring subsystem, which guarantees the optimal operation of the system. For this, it will control the modules (1) of which the system is composed, so that they are active depending on the demand requested by the load and its state of use. This will bring the following benefits:

• Cada modulo solo estara activo cuando la carga lo demande, lo cual redundara en un menor numero de horas de funcionamiento y, por tanto, en una mayor duration global del sistema, prolongando su tiempo de vida, fundamentalmente de su apilamiento de celdas. •• Each module will only be active when the load demands it, which will result in a lower number of hours of operation and, therefore, in a longer overall duration of the system, prolonging its lifetime, fundamentally of its stacking of cells. •

• Cada modulo funcionara a potencia nominal, lo cual supondra un mejor rendimiento y aprovechamiento de cada tiempo de funcionamiento.• Each module will work at nominal power, which will mean better performance and use of each operating time.

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• Los modulos podran funcionar un numero de horas similar, con lo cual el desgaste natural del sistema, fundamentalmente del apilamiento de celdas de cada modulo, sera equilibrado.• The modules can operate a similar number of hours, with which the natural wear of the system, mainly the stacking of cells of each module, will be balanced.

• Los modulos pueden ser no solo puestos en marcha bajo demanda, sino tambien interconectados segun requerimientos.• The modules can be not only launched on demand, but also interconnected according to requirements.

• En el caso de que algun modulo se deteriore, con mayor probabilidad su apilamiento de celdas, el sistema podra funcionar con el resto, siempre que la potencia maxima requerida no sobrepase la disponible.• In the event that any module deteriorates, with more probability its stacking of cells, the system may work with the rest, provided that the maximum power required does not exceed that available.

Con este subsistema de control y monitorizacion, el sistema objeto de la invention suministra una potencia regulada en el rango desde 0 a hasta "n*p", siendo "n" el numero de modulos y "p" la potencia de cada uno de ellos, supuestos todos iguales. Si asl no fuera se podrla tener desde 0 hasta (p1 + p2 + ... +pn).With this control and monitoring subsystem, the system object of the invention provides a regulated power in the range from 0 to "n * p", "n" being the number of modules and "p" the power of each of them. , assumptions all the same. If this were not the case, it could be from 0 to (p1 + p2 + ... + pn).

El elemento de control se configura en dos niveles: un primer nivel constituido por los controladores locales (20) de cada modulo (1), que controlan los subsistemas de oxigenacion/refrigeracion, de hidrogeno y electrico y su acondicionador de potencia, y una unidad de control superior (21) que supervisa y gobierna cada controlador local (20) de acuerdo a los requisitos generales del sistema.The control element is configured in two levels: a first level consisting of the local controllers (20) of each module (1), which control the oxygenation / cooling, hydrogen and electric subsystems and their power conditioner, and a unit of superior control (21) that supervises and governs each local controller (20) according to the general requirements of the system.

La unidad de control superior (21), en funcion de los requerimientos solicitados al sistema, conectara o desconectara cada modulo (1) de la llnea de suministro de hidrogeno y de la llnea de conexion electrica a la carga.The upper control unit (21), depending on the requirements requested to the system, will connect or disconnect each module (1) of the hydrogen supply line and the electrical connection line to the load.

En lo referente a la monitorizacion, este subsistema de control y monitorizacion mide todas las variables de interes, las almacena para su consulta por el usuario y las suministra al control. Por otro lado, permite el acceso en llnea (refiriendonos a acceso en tiempo real a traves de la red-Internet (23) y/o red local-mediante una aplicacion informatica como un instrumento virtual) al sistema. Ademas, la monitorizacion del sistema se completa con la visualization de alarmas a traves de la aplicacion informatica (22), la cual avisara al usuario de situaciones anomalas (exceso o defecto de presion o temperatura, demanda excesiva de corriente, tension de funcionamiento reducida, etc.).With regard to monitoring, this control and monitoring subsystem measures all the variables of interest, stores them for consultation by the user and supplies them to the control. On the other hand, it allows online access (referring to real-time access through the Internet-network (23) and / or local network-through a computer application as a virtual instrument) to the system. In addition, the system monitoring is completed with the visualization of alarms through the computer application (22), which will notify the user of anomalous situations (excess or defect of pressure or temperature, excessive demand for current, reduced operating voltage, etc.).

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La potencia electrica que se genera en cada modulo (1) puede no poseer la calidad necesaria para alimentar a la carga electrica (14), por lo que se puede intercalar en paralelo, entre el apilamiento de celdas (2) y la carga (14), un subsistema acondicionador de potencia electrica (24) que garantice que la salida electrica de cada modulo (o del sistema completo de la Figura 2, segun las conexiones posibles para los modulos que se describen mas adelante) sea una potencia electrica regulada apta para alimentar cualquier carga electrica. Esta regulation podra ser DC/DC o incluir una inversion DC/AC.The electric power generated in each module (1) may not have the quality necessary to feed the electric charge (14), so it can be inserted in parallel, between the stacking of cells (2) and the load (14 ), an electrical power conditioning subsystem (24) that ensures that the electrical output of each module (or the complete system of Figure 2, according to the possible connections for the modules described below) is a regulated electrical power suitable for Power any electric charge. This regulation could be DC / DC or include a DC / AC investment.

Este subsistema es de diseno especlfico para el sistema objeto de la invention, ya que ha de gobernar la salida electrica de cada modulo para poder suministrar en todo momento los requerimientos cambiantes de potencia electrica regulada demandados por la carga.This subsystem is of specific design for the system object of the invention, since it has to govern the electrical output of each module to be able to supply at all times the changing requirements of regulated electric power demanded by the load.

Para el subsistema acondicionador de potencia electrica (24) se pueden aplicar diferentes configuraciones basicas de conexion de pilas o modulos : en serie, en paralelo, en serie/paralelo y conectadas a un subsistema acondicionador con multiples entradas. Cada una con las ventajas conocidas por un experto en la materia. Para el sistema en serie, se obtiene mayor tension de salida y la misma corriente en todas las celdas. El sistema en paralelo permite que solo trabaje un modulo. El sistema serie/paralelo permite diferentes configuraciones de tension y corriente de salida, mientras que un subsistema con entradas diferentes (Figura 3) permite que trabajen uno o mas modulos, cada uno en un punto de operation diferente. En esta figura solo se han representado dos apilamientos, pero puede aplicarse a cualquier otro numero.For the electric power conditioning subsystem (24) different basic configurations of connection of batteries or modules can be applied: in series, in parallel, in series / parallel and connected to a conditioning subsystem with multiple inputs. Each with the advantages known to a person skilled in the art. For the series system, higher output voltage and the same current are obtained in all cells. The parallel system allows only one module to work. The series / parallel system allows different voltage and output current configurations, while a subsystem with different inputs (Figure 3) allows one or more modules to work, each at a different operating point. Only two stacks have been represented in this figure, but it can be applied to any other number.

Para controlar los efectos de deterioro de los modulos (fundamentalmente sus apilamientos de celdas), se complementara con un subsistema de gestion de celdas para la monitorizacion y control de los diferentes efectos que contribuyen al deterioro de los apilamientos y, por ende, de los modulos que los contienen. Este subsistema trabaja a partir de los datos suministrados por el subsistema de control y monitorizacion. A modo de ejemplo del interes de este subsistema, se puede mencionar que la corriente de corrosion en las celdas que forman cada apilamiento puede originar una reduccion de la tension de celda, llegando incluso a 0 V. Esto supone un grave problema para la celda afectada que puede llevarla a un deterioro irreversible. Sin embargo, la reduction de la tension de celda puede estar originada por un efecto no nocivo, como es la alta demanda de corriente en la carga. Esto tiene que ser capaz de detectarlo el subsistema de gestion de celdas.To control the effects of deterioration of the modules (mainly their cell stacks), it will be complemented with a subsystem of cell management for monitoring and control of the different effects that contribute to the deterioration of the stacks and, therefore, of the modules They contain them. This subsystem works from the data supplied by the control and monitoring subsystem. As an example of the interest of this subsystem, it can be mentioned that the corrosion current in the cells that form each stack can cause a reduction in cell tension, even reaching 0 V. This is a serious problem for the affected cell which can lead to irreversible deterioration. However, the reduction in cell voltage may be caused by a non-harmful effect, such as the high demand for load current. This has to be able to detect the cell management subsystem.

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Este subsistema de diseno especlfico es capaz de detectar si la reduction de la tension de celda es originada por un efecto nocivo que hay que evitar o por otro que desaparece en el tiempo sin causar danos.This specific design subsystem is able to detect if the reduction in cell tension is caused by a harmful effect that must be avoided or by another that disappears over time without causing damage.

Si el diseno y control de los diferentes subsistemas que complementan al apilamiento de celdas de cada modulo no se hace de forma correcta, o no se conocen con detalle los posibles efectos adversos, la tension de celda puede disminuir hasta en 0,8 V. Sabiendo que la tension maxima de una celda (tension en circuito abierto) es de 1 V y la minima (tension a plena carga = maxima potencia) de 0,5 V; el deterioro de varias celdas en un mismo apilamiento tiene efectos negativos significativos en su comportamiento electrico. Las dos principales causas de deterioro que contribuyen a la perdida de 0,8 V/celda son la corrosion del carbon que se emplea para depositar el catalizador y la inanicion de combustible.If the design and control of the different subsystems that complement the stacking of cells of each module is not done correctly, or the possible adverse effects are not known in detail, the cell tension can decrease up to 0.8 V. Knowing that the maximum voltage of a cell (open circuit voltage) is 1 V and the minimum (full load voltage = maximum power) of 0.5 V; The deterioration of several cells in the same stack has significant negative effects on their electrical behavior. The two main causes of deterioration that contribute to the loss of 0.8 V / cell are the corrosion of the carbon used to deposit the catalyst and the starvation of fuel.

La primera se debe a que en una celda de combustible tipo PEM, en la estructura Electrolito- Membrana-Electrolito, el catalizador que favorece la disociacion del hidrogeno esta suspendido en una fina capa de carbono que cubre a la membrana por ambos lados. Cuando esta capa de carbono desaparece (como consecuencia de la reaction del mismo con agua para formar CO2, iones H+ y electrones), la interfaz hidrogeno-oxlgeno (en lo sucesivo hidrogeno-aire ya que el oxlgeno con el que reacciona la celda de combustible procede directamente del aire circundante) que existe en la membrana, se convierte en oxlgeno-oxlgeno (en lo sucesivo aire-aire). En este caso se generan dos zonas de diferente tension y por tanto una corriente denominada corriente de corrosion. Esta corriente de corrosion aparece durante el arranque de la pila (degradation por arranque/parada), y tambien aparece si hay perdidas de combustible, o si la valvula de suministro o la valvula de purga tienen fugas.The first is because in a PEM type fuel cell, in the Electrolyte-Membrane-Electrolyte structure, the catalyst that favors the dissociation of hydrogen is suspended in a thin layer of carbon that covers the membrane on both sides. When this carbon layer disappears (as a result of its reaction with water to form CO2, H + ions and electrons), the hydrogen-oxygen interface (hereinafter hydrogen-air since the oxygen with which the fuel cell reacts it comes directly from the surrounding air) that exists in the membrane, becomes oxygen-oxygen (hereinafter air-to-air). In this case, two zones of different voltage and therefore a current called corrosion current are generated. This corrosion current appears during the starting of the battery (degradation by start / stop), and also appears if there are fuel leaks, or if the supply valve or the purge valve are leaking.

La corriente de corrosion tiene tambien el efecto de consumir el carbono de la capa catalizadora.The corrosion current also has the effect of consuming the carbon from the catalyst layer.

El subsistema de gestion de celdas debera detectar que se ha producido regiones aire-aire para permitir la actuation correctora. Para ello detecta que la tension producida por la celda es inferior a la teorica, por la presencia de las dos regiones aire-aire e hidrogeno-aire. Asl, en caso de existencia de corrientes de corrosion, la tension de celda sera de 0,2V o similar en vez de aproximadamente 1V. En cambio, si hay fugas de combustible en la valvula, la celda producira tension con la valvula de hidrogeno cerrada, incluso tras consumirse completamente los remanentes de hidrogeno que puedan quedar en el circuito (aproximadamente 30 minutos).The cell management subsystem should detect that air-to-air regions have been produced to allow corrective actuation. For this, it detects that the tension produced by the cell is lower than the theoretical one, due to the presence of the two air-air and hydrogen-air regions. Thus, in the case of corrosion currents, the cell voltage will be 0.2V or similar instead of approximately 1V. On the other hand, if there are fuel leaks in the valve, the cell will produce tension with the closed hydrogen valve, even after completely consuming the remaining hydrogen in the circuit (approximately 30 minutes).

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En el caso de arranque de la celda tras estar un tiempo parada, hasta haberse consumido el remanente de hidrogeno, las corrientes de corrosion de arranque/parada seran inevitables, por lo que el sistema debera reconocer que este es el caso.In the case of starting the cell after being stopped for a while, until the remaining hydrogen has been consumed, the start / stop corrosion currents will be unavoidable, so the system must recognize that this is the case.

La inanicion o falta de combustible provoca un efecto similar a las corrientes de corrosion sobre una celda de combustible. Cuando no existe suficiente hidrogeno con el que reaccionar, este es sustituido por el carbono de la capa catalizadora, de forma que el carbono reacciona con el agua para generar protones y electrones, con el fin de abastecer la demanda de la carga. En esta situation, la tension de celda puede bajar por debajo de 0 V, llegando a una situacion inversa irreversible que supondra la inhabilitacion definitiva de la misma.Starvation or lack of fuel causes an effect similar to corrosion currents on a fuel cell. When there is not enough hydrogen to react with, this is replaced by the carbon in the catalyst layer, so that the carbon reacts with the water to generate protons and electrons, in order to supply the demand of the charge. In this situation, the cell voltage may drop below 0 V, reaching an irreversible inverse situation that will result in the definitive disabling of the same.

Para la implementation del subsistema de gestion de celdas, se ha desarrollado un equipo de medida formado por el sistema de detection de tension de celda, que no es objeto de la invention. El conexionado con cada modulo junto con el desarrollo del instrumento virtual para la monitorizacion no forman parte de la invencion.For the implementation of the cell management subsystem, a measuring device formed by the cell tension detection system has been developed, which is not the subject of the invention. The connection with each module together with the development of the virtual instrument for monitoring are not part of the invention.

Es especialmente interesante complementar la invencion con un equipo de simulacion implementado por medio de hardware y/o software, que puede funcionar tanto a nivel de modulo (1) como de sistema completo (correspondiente a la Figura 2), y que permite replicar el funcionamiento real (no lineal) del sistema objeto de la invencion, y que ademas permita simular fallos y averlas. Esto proporciona al simulador unas posibilidades de gran valor: formativas, de seguridad, de ahorro de costes, etc.; dotando ademas al sistema objeto de la invencion de un gran valor anadido.It is especially interesting to complement the invention with a simulation device implemented by means of hardware and / or software, which can work both at module level (1) and at the complete system (corresponding to Figure 2), and which allows the operation to be replicated. real (nonlinear) of the system object of the invention, and which also allows to simulate faults and failures. This provides the simulator with great value possibilities: training, security, cost savings, etc .; also providing the system object of the invention with a great added value.

El procedimiento de operation se inicia con el inicio de la alimentation electrica: encendido y ajuste de la baterla, posteriormente el ajuste de hidrogeno, apertura de valvula (9) de suministro y su caudal. Finalmente el ajuste del subsistema de oxigenacion/refrigeracion, fijando el parametro lambda, A.The operation procedure begins with the start of the electrical supply: ignition and adjustment of the battery, then the hydrogen adjustment, opening of the supply valve (9) and its flow rate. Finally, the adjustment of the oxygenation / cooling subsystem, setting the lambda parameter, A.

Durante el funcionamiento y generation de potencia electrica, los sensores realizan chequeos continuos, cuyo resultado podra llevar al subsistema de control y monitorizacion a la activation de las alarmas e incluso al apagado por fallo, con lo que se activarla un modulo (1) inactivo, en caso de existir alguno, para suministrar la potencia que falte.During the operation and generation of electric power, the sensors carry out continuous checks, the result of which may lead to the control and monitoring subsystem to the activation of the alarms and even to the shutdown by failure, which will activate an inactive module (1) if any, to supply the missing power.

El apagado de los modulos (1) se realiza con el cierre de las valvulas y correspondientes, de forma que la deteccion de una condicion anomala conllevarla la activacion de alarmas.The shutdown of the modules (1) is carried out with the closing of the valves and corresponding ones, so that the detection of an anomalous condition will lead to the activation of alarms.

actuadoresactuators

igualmenteequally

Claims (1)

55 1010 15fifteen 20twenty 2525 3030 3535 REIVINDICACIONES 1- Sistema de generation de potencia electrica caracterizado por que comprende al menos dos modulos (1) de apilamientos de celdas (2) de membrana de intercambio protonico (PEM), alimentados por al menos una fuente de hidrogeno (8), de un subsistema de hidrogeno, y por que dispone de un subsistema de control y monitorizacion de cada modulo (1) y cada apilamiento, que controla los modulos (1) y con capacidad de activar y desactivar los modulos (1) individualmente.1- Electric power generation system characterized in that it comprises at least two modules (1) of stacks of proton exchange membrane cells (2), fed by at least one source of hydrogen (8), from a subsystem hydrogen, and because it has a control and monitoring subsystem of each module (1) and each stack, which controls the modules (1) and with the ability to activate and deactivate the modules (1) individually. 2- Sistema de generation de potencia electrica, segun la revindication 1, caracterizado porque cada modulo (1) tiene una potencia diferente.2- Electric power generation system, according to revindication 1, characterized in that each module (1) has a different power. 3- Sistema de generation de potencia electrica, segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el subsistema de control y monitorizacion recibe de cada modulo (1) la senal de un amperlmetro del apilamiento (17) y de un voltlmetro del apilamiento (18) asl como de un subsistema de detection de tension de celda en cada una de las celdas (2) del apilamiento.3- Electric power generation system, according to any of the preceding claims, characterized in that the control and monitoring subsystem receives from each module (1) the signal of a stacking ammeter (17) and a stacking voltmeter (18). ) as well as a cell voltage detection subsystem in each of the cells (2) of the stack. 4- Sistema de generation de potencia electrica, segun la revindication 3, caracterizado por que el sistema de detection de tension de celda esta comunicado con un sistema de gestion de celda, capaz de detectar el funcionamiento anomalo de la celda y avisar al subsistema de control y monitorizacion.4- Electric power generation system, according to revindication 3, characterized in that the cell voltage detection system is communicated with a cell management system, capable of detecting the abnormal functioning of the cell and notifying the control subsystem and monitoring. 5- Sistema de generation de potencia electrica, segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el subsistema de control y monitorizacion posee un primer nivel formado por un controlador local (20) por cada modulo y un nivel superior formado por una unidad de control superior (21) que coordina los controladores locales (20).5- Electric power generation system, according to any of the preceding claims, characterized in that the control and monitoring subsystem has a first level formed by a local controller (20) for each module and a higher level formed by a control unit superior (21) that coordinates the local controllers (20). 6- Sistema de generation de potencia electrica, cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el subsistema de control y monitorizacion es accesible en llnea.6- Electric power generation system, any of the preceding claims, characterized in that the control and monitoring subsystem is accessible online. 7- Sistema de generacion de potencia electrica, cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el subsistema de control y monitorizacion distribuye homogeneamente las horas de funcionamiento entre todos los modulos (1) cuando la potencia solicitada es inferior a la maxima.7- Electric power generation system, any of the preceding claims, characterized in that the control and monitoring subsystem homogeneously distributes the operating hours among all the modules (1) when the requested power is less than the maximum. 8- Sistema de generation de potencia electrica, cualquiera de las reivindicaciones8- Electric power generation system, any of the claims anteriores, caracterizado por que los modulos (1) comprenden un subsistema de oxigenacion/refrigeracion que aporta aire a las celdas (2) como refrigerante y como aporteabove, characterized in that the modules (1) comprise an oxygenation / cooling subsystem that provides air to the cells (2) as a refrigerant and as a contribution 5 de oxlgeno al catodo.5 of oxygen to the cathode. 9- Sistema de generation de potencia electrica, cualquiera de las reivindicaciones9- Electric power generation system, any of the claims anteriores, caracterizado por que el subsistema de hidrogeno aporta hidrogeno a presion ambiente a las celdas (2).above, characterized in that the hydrogen subsystem provides hydrogen at ambient pressure to the cells (2). 1010 10- Sistema de generation de potencia electrica, cualquiera de las reivindicaciones10- Electric power generation system, any of the claims anteriores, caracterizado por que el subsistema de hidrogeno comprende una llnea de purga del modulo (1).above, characterized in that the hydrogen subsystem comprises a purge line of the module (1). 15 11- Sistema de generation de potencia electrica, cualquiera de las reivindicaciones15 11- Electric power generation system, any of the claims anteriores, caracterizado por que comprende un equipo de simulation para replicar el funcionamiento de dicho sistema.above, characterized in that it comprises a simulation equipment to replicate the operation of said system.
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