ES2625172T3 - Celda electroquímica y método para ajustar una pila de celdas electroquímicas - Google Patents

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Abstract

Un método para ajustar el d de al menos una celda electroquímica en una pila de celdas electroquímicas, el método comprende: suministrar energía a una pila de celdas electroquímicas, en donde la pila de celdas electroquímicas incluye una pluralidad de celdas electroquímicas; controlar un parámetro de al menos una de la pluralidad de celdas electroquímicas; determinar si una celda electroquímica se daña, y desviar una fracción del flujo de corriente de la celda electroquímica deteriorada durante el funcionamiento de la pila de celdas electroquímicas; en donde el desvío de una fracción del flujo de corriente desde la celda electroquímica dañada incluye una derivación instalando una resistencia de derivación en un área de derivación de la celda electroquímica dañada durante el funcionamiento de la pila de celdas electroquímicas; y ajustar un área de la resistencia de derivación en contacto con la celda electroquímica dañada para ajustar el flujo actual a través de la celda electroquímica.

Description

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DESCRIPCION
Celda electroqulmica y metodo para ajustar una pila de celdas eiectroqulmicas
Esta solicitud reivindica el beneficio de la solicitud provisional de los Estados Unidos num. 61/856,494, presentada el 19 de julio de 2013.
Las modalidades de la presente descripcion se relacionan con celdas electroqulmicas, y mas especlficamente, con un sistema y metodo para el ajuste de al menos una celda electroqulmica en un pila de celdas electroqulmicas.
Las celdas electroqulmicas, normalmente clasificadas como celdas de combustible o celdas de electrolisis, son dispositivos para generar corriente a partir de reacciones qulmicas, o inducir una reaccion qulmica usando un flujo de corriente. Una celda de combustible convierte la energla qulmica de un combustible (por ejemplo, hidrogeno, gas natural, metanol, gasolina, etc.) y un oxidante (por ejemplo, aire u oxlgeno) en electricidad y productos de desecho de calor y agua. Una celda de electrolisis representa una celda de combustible que funciona a la inversa. Una celda de electrolisis funciona como un generador de hidrogeno al descomponer el agua en gases de hidrogeno y oxlgeno cuando se aplica un potencial electrico externo.
La tecnologla basica de una celda de combustible o una celda de electrolisis puede aplicarse a la manipulacion electroqulmica del hidrogeno, tal como, compresion electroqulmica de hidrogeno, purificacion o expansion. Por ejemplo, puede usarse un compresor electroqulmico de hidrogeno (EHC) para transferir selectivamente hidrogeno desde un lado de una celda a otro. Un EHC puede comprender una membrana de intercambio de protones emparedado entre un primer electrodo (por ejemplo, un anodo) y un segundo electrodo (por ejemplo, un catodo).Un gas que contenga hidrogeno puede hacer contacto con el primer electrodo y se puede aplicar una diferencia de potencial entre el primer y el segundo electrodos. En el primer electrodo, las moleculas de hidrogeno pueden oxidarse y la reaccion puede producir dos electrones y dos protones. Los dos protones son accionados electroqulmicamente a traves de la membrana hasta el segundo electrodo de la celda, donde son reintegrados por dos electrones reorientados y reducidos para formar una molecula hidrogeno. Las reacciones que tienen lugar en el primer electrodo y el segundo electrodo se pueden expresar como ecuaciones qulmicas, como se muestra mas abajo.
Reaccion de oxidacion del primer electrodo: H2 ^ 2H+ + 2e- Reaccion de oxidacion del segundo electrodo: 2H+ + 2e- ^ H2 Reaccion electroqulmica global: H2 ^ H2
Los EHC que funcionan de esta manera se denominan normalmente como bombas de hidrogeno. Cuando el hidrogeno acumulado en el segundo electrodo esta restringido a un espacio confinado, la presion dentro del espacio aumenta, comprimiendo el hidrogeno. La maxima presion o regimen de flujo que una celda individual es capaz de producir puede limitarse sobre la base del diseno de la celda.
Para lograr una mayor compresion o una presion mayor, se pueden unir multiples celdas en paralelo o en serie en una pila EHC para aumentar la capacidad de flujo (es decir, el flujo de gas total) de un EHC. En funcionamiento, una corriente electrica se suministra a la pila EHC para hacer que el hidrogeno en cada celda se mueva de un lado de la membrana al otro lado. En una pila con mas de una celda, la corriente electrica pasa a traves de todas las celdas, mientras que la tension aplicada a la pila se divide entre las celdas en la pila. Mientras que idealmente la tension se dividirla por igual entre las celdas, en realidad la tension varla entre las celdas. La tension de una celda puede ser variada debido a la corrosion bipolar de la placa, la degradacion del catalizador, o la degradacion de la membrana.
Las celdas electroqulmicas que tienen mayor tension consumen mas energla para comprimir la misma cantidad de hidrogeno. Como consecuencia, estas celdas pueden producir mas calor y operar a una mayor temperatura que otras celdas que funcionan a una tension mas baja. Las altas temperaturas pueden hacer que las celdas de alta tension se degraden con el tiempo, lo que, a su vez, puede ademas aumentar la tension de las celdas de alta tension. Este ciclo de retroalimentacion puede continuar conduciendo a un fallo prematuro de la celda. Por otra parte, estas celdas degradadas pueden disminuir la eficiencia general de la pila EHC, afectando negativamente a otras celdas. Si bien esto puede solucionarse desmontando la pila EHC y retirando las celdas de alta tension, tales metodos son costosos y problematicos ya que las celdas degradadas estan conectadas electricamente y ensambladas flsicamente en la pila.
El documento US-A1-2008/121532 se refiere a un aparato y a metodos operativos para sistemas electromecanicos integrados de separation de hidrogeno y sistemas de compresion. Un potencial electrico se proporciona a traves de una celda electroqulmica, una portion de la cual se deriva a una carga electrica cuando el potencial es mayor que un umbral predeterminado. Un diodo Zener puede usarse como un mecanismo de derivation adecuado.
El documento EP-A1-0,629,015 se refiere a una celda de combustible que comprende una multiplicidad de elementos celulares, cada elemento formado por placas bipolares, colectores de corriente, electrodos y membranas, en donde la funcion de transmision de corriente electrica a traves de los elementos celulares, la liberation de calor hacia el medio exterior, la distribucion de la corriente electrica a los electrodos y las membranas, la elimination del calor de los
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electrodos y las membranas y la distribution de los reactivos y productos se realizan por distintos componentes, en particular placas bipolares para los dos primeros y colectores electroconductores porosos para los demas.
El documento EP-A1-0,834,947 se refiere a un metodo para reparar electrolizadores de membrana o generadores electroqulmicos cuando una celda elemental esta funcionando mal, que comprende hacer al menos dos perforaciones en el area periferica de placas bipolares y/o juntas de la celda defectuosa para alcanzar canales de distribucion que conectan los compartimentos que contienen los electrodos con ductos longitudinales. Se inyecta un medio de sellado a traves de las perforaciones para formar oclusiones adecuadas en los canales de distribucion y en las perforaciones, respectivamente. Al sellar los canales de distribucion y las perforaciones, las placas bipolares que delimitan la celda defectuosa estan cortocircuitadas externamente y el electrolizador o generador esta listo para funcionar.
En consideration de las circunstancias mencionadas anteriormente, la presente description esta dirigida a un sistema y metodo para ajustar el rendimiento de al menos una celda en una pila de celdas electroqulmicas. El sistema puede reducir variaciones en las tensiones de la pila de celdas electroqulmicas durante el funcionamiento. Ademas, el sistema puede "afinar" el funcionamiento de una o mas celdas deterioradas al tiempo que permite la operation continua de la pila de celdas electroqulmicas.
Al menos un aspecto de la invention se dirige a un metodo para ajustar el desempeno de al menos una celda electroqulmica en una pila de celdas electroqulmicas, como se expone en la reivindicacion 1.
Otro aspecto de la invencion se dirige a una celda electroqulmica, tal como se expone en la reivindicacion 10.
Los aspectos y/o las ventajas adicionales de la invencion que se exponen en parte en la descripcion que sigue y, en parte, seran obvios a partir de la descripcion, o pueden aprenderse llevando a la practica la invencion. Las ventajas descritas mas abajo se comprenderan y alcanzaran por medio de los elementos y combinaciones particularmente destacadas en las reivindicaciones anexas.
Debera entenderse que la descripcion general anterior y la siguiente descripcion detallada son solo ilustrativas y aclaratorias y no limitan la invencion, como se reivindica.
Las figuras acompanantes, las cuales se incorporan y constituyen una parte de esta especificacion, ilustran varias modalidades de la invencion y, junto con la descripcion, sirven para explicar los principios de la invencion.
La Figura 1 es una vista esquematica de un sistema que incluye una pila de celdas electroqulmicas y una resistencia de derivation de acuerdo con una modalidad ilustrativa.
La Figura 2 es una vista esquematica en perspectiva de la pila de celdas electroqulmicas, de acuerdo con una modalidad ilustrativa.
La Figura 3 es una vista superior de una portion de una celda electroqulmica que tiene un area de derivacion configurada para recibir el resistor de derivacion de acuerdo con una modalidad ilustrativa.
La Figura 4 es una vista lateral de la pila de celdas electroqulmicas, que tiene un resistor de derivacion situado entre dos placas bipolares, de acuerdo con una modalidad ilustrativa.
La Figura 5 es una vista lateral de una porcion de la pila de celdas electroqulmicas que tiene una derivacion variable situada entre dos placas bipolares de acuerdo con otra modalidad ilustrativa.
La Figura 6 es un diagrama de flujo que ilustra un metodo de ajuste del rendimiento de las celdas en una pila electroqulmica, de acuerdo con otra modalidad ilustrativa.
La Figura 7 es un diagrama esquematico de un sistema que incluye convertidores bidireccionales, de de acuerdo con una modalidad ilustrativa.
La Figura 8 es un diagrama de un convertidor bidireccional, de acuerdo con una modalidad ilustrativa.
Se hara referencia ahora en detalle a las modalidades ilustrativas de la presente descripcion, cuyos ejemplos se ilustran en los dibujos acompanantes. Donde quiera que sea posible, los mismos numeros de referencia se usaran a lo largo de todos los dibujos para referirse a las mismas partes o partes similares. Aunque se describe en relation con las celdas electroqulmicas empleando hidrogeno, se entiende que los sistemas y metodos de la presente descripcion se pueden emplear con diversos tipos de celdas de combustible y celdas electroqulmicas, incluyendo, pero sin limitarse a, celdas de electrolisis, purificadores de hidrogeno, expansores de hidrogeno y compresores de hidrogeno.
La Figura1 muestra una vista lateral de un sistema ilustrativo 20.El sistema 20 incluye una pila de celdas electroqulmicas 50 formada de multiples celdas electroqulmicas. Cada celda electroqulmica 100 incluye un area activa 80, que se expone a gas de hidrogeno. El area 80 abarca un anodo 110, un catodo 120 y una membrana de intercambio
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de protones (PEM) 130 dispuesta entre el anodo 110 y el catodo 120.La PEM 130 puede comprender una membrana de pollmero puro o membrana de material compuesto, donde otro material, por ejemplo, sllice, heteropoliacidos, fosfatos de metal estratificado, fosfatos, y fosfatos de zirconio pueden embeberse en una matriz polimerica. La PEM 130 puede ser permeable a los protones mientras puede no conducir electrones. El anodo 110 y el catodo 120 pueden comprender electrodos de carbono porosos que contienen un catalizador de capa (no mostrados).El material catalizador, por ejemplo platino, puede aumentar la velocidad de reaccion.
La celda electroqulmica 100 puede comprender ademas dos placas bipolares 150.Las dos placas bipolares 150 pueden actuar como placas de soporte, conductores, proporcionar pasajes para las respectivas superficies de electrodos para el gas de hidrogeno, y proporcionar pasajes para la eliminacion del hidrogeno comprimido. Las placas bipolares 150 tambien pueden incluir canales de acceso para un fluido de refrigeration (es decir, agua, glicol, o mezcla de agua y glicol). Las placas bipolares 150 pueden estar hechas de aluminio, acero, acero inoxidable, titanio, cobre, aleacion de Ni-Cr, grafito o cualquier material electricamente conductor.
Multiples celdas electroqulmicas 100 se pueden unir en serie o en paralelo para formar una pila de celdas electroqulmicas 50.En el modalidad ilustrativa, multiples celdas electroqulmicas 100 estan apiladas en paralelo para formar una pila de celdas electroqulmicas de una sola etapa 50.La pila de celdas electroqulmicas 50 puede comprender cualquier numero adecuado de celdas electroqulmicas 100. Por ejemplo, en la modalidad mostrada en la Figura 1, la pila de celdas electroqulmicas 50 incluye tres celdas electroqulmicas 100. Se entiende, sin embargo, que una pila celdas electroqulmicas 50 puede incluir un numero mayor o menor de celdas electroqulmicas.
Las placas bipolares 150 pueden separar cada celda electroqulmica 100 de las celdas adyacentes en una pila de celdas electroqulmicas 50.En algunas modalidades, cada celda electroqulmica 100 en la pila 50 comprende dos placas bipolares 150, una a cada lado del conjunto de la membrana-electrodo (MEA), es decir, si la pila 50 comprende n celdas, entonces el numero total de placas bipolares 150 en la pila 50 es 2n.En algunas otras modalidades, dos celdas electroqulmicas adyacentes 100 en la pila 50 comparten una placa bipolar 150, es decir, si la pila 50 comprende n celdas, entonces el numero total de placas bipolares 150 en la pila 50 es de (n + 1).
En funcionamiento, de acuerdo con una modalidad ilustrativa, el gas de hidrogeno puede proveerse a la zona activa 80.Una tension se puede aplicar a la pila de celdas electroqulmicas 50, de manera que un potencial electrico se puede aplicar entre el anodo 110 y el catodo 120, en donde el potencial en el anodo 110 es mayor que el potencial en el catodo 120.Ademas, una corriente electrica se suministra a la pila de celdas electroqulmicas 50 para hacer que el hidrogeno en cada celda sea electroqulmicamente transportado o "bombeado" a traves del PEM 130 mientras que los electrones son desviados alrededor del PEM 130.En el catodo 120, en el lado opuesto del PEM 130, los protones transportados y los electrones reorientados se reducen para formar hidrogeno. A medida que mas y mas hidrogeno se forma en el catodo 120, el hidrogeno puede ser comprimido y presurizado dentro de un espacio confinado.
Como se indico anteriormente, en una pila de celdas electroqulmicas con multiples celdas electroqulmicas, la corriente electrica suministrada a la pila pasa a traves de todas las celdas, mientras que la tension aplicada a la pila se divide entre las celdas de la pila. Mientras que idealmente la tension se dividirla por igual entre las celdas, en realidad la tension varla entre las celdas. Por ejemplo, la tension de la celda puede variar de 0,01 a 1,0 V/celda en una pila. Como consecuencia, la generation de calor causada por el paso de la corriente a traves de la celda (por ejemplo, calentamiento ohmico) tambien puede variar entre las celdas. El sistema descrito puede reducir variaciones en las tensiones de las celdas y el calentamiento ohmico mediante la derivation de celdas individuales que funcionan a altos voltajes. En el modalidad ilustrativa, la derivacion puede incluir el uso de un resistor de derivacion 200 de un valor predeterminado (fijo), seleccionable por el usuario, o un valor de resistencia programable.
La Figura 2 es una vista esquematica ilustrativa de la pila de celdas electroqulmicas 50.Como se muestra en la Figura 2, cada celda electroqulmica 100 puede incluir al menos un area de derivacion 220.El area de derivacion 220 puede estar ubicada en cualquier portion de la celda electroqulmica 100 que es accesible desde fuera de pila de celdas electroqulmicas 50. Por ejemplo, el area de derivacion 220 puede estar situada fuera de los llmites del area activa 80 en una esquina o borde de la celda electroqulmica 100.En algunas modalidades, cada celda electroqulmica 100 puede incluir multiples areas de derivacion 220.En dichas modalidades, el area de derivacion 220 puede estar situada en algunas o todas las esquinas de la celda electroqulmica 100.De manera similar, se contempla que el area de derivacion 220 pueda situarse en algunos o todos los bordes de la celda electroqulmica 100.
Con referencia a la Figura 3, el area de derivacion 220 puede dimensionarse para recibir un resistor de derivacion 200. El resistor de derivacion 200 puede ser cualquier dispositivo de baja resistencia conocido configurado para desviar una fraction de la corriente electrica suministrada al area activa 80 de una celda electroqulmica individual a las celdas vecinas. El resistor de derivacion 200 puede posicionarse en la zona de derivacion 220 de cada celda durante la production, o insertarse en el area de derivacion 220 durante el funcionamiento de la pila de celdas electroqulmicas 50.La insertion puede completarse de forma manual o a traves de medios automatizados.
Como se muestra en la Figura3, el resistor de derivacion 200 puede insertarse o retirarse del area de derivacion 220 desde afuera de la pila electroqulmica 50.Se contempla que el resistor de derivacion 200 puede insertarse completa o
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parcialmente en el area de derivation 220.Por ejemplo, el resistor de derivation 200 puede insertarse parcialmente en el area de derivacion 220 para variar el area de derivacion 200a que esta en contacto con la celda electroqmmica 100.
La Figura 4 es una vista lateral de la pila de celdas electroqmmicas 50.Como se muestra en la Figura 4, cuando el resistor de derivacion 200 esta colocado en la zona de derivacion 220, puede extenderse entre las placas bipolares 150 de una celda electroqmmica individual. En aquellas modalidades en las que cada celda electroqmmica 100 en una pila comprende dos placas bipolares, un resistor de derivacion 200 puede colocarse entre las dos placas bipolares. En dichas modalidades (por ejemplo, la Figura 4), cuando dos celdas electroqmmicas adyacente 100 comparten una placa bipolar, el resistor de derivacion 200 puede colocarse entre las placas bipolares 150 enlazando la celda electroqmmica individual.
El resistor de derivacion 200 puede componerse de cualquier material electricamente conductor tal como, por ejemplo, cobre, aluminio, acero inoxidable, laton, mquel, etc. El resistor de derivacion 200 puede estar recubierto con oro, plata, estano, un material semiconductor o cualquier otro conocido para minimizar la resistencia de contacto o lograr un valor deseado de resistencia. El tamano, forma y/o section transversal del resistor de derivacion 200 puede variar. Por ejemplo, el tamano y la forma del resistor de derivacion 200 pueden ser suficientes para extenderse entre las placas bipolares 150 y el flujo de corriente continua a las celdas vecinas. El diseno del resistor de derivacion tambien puede variar para incluir caracteristicas de resorte para asegurar un contacto adecuado se mantiene entre placas adyacentes con variation en la separation de las placas causada por la fabrication y expansion termica de la pila/celdas.
En ciertas modalidades, cada celda electroqmmica 100 incluye uno o mas dispositivos de alineacion situados en cada esquina de la celda electroqmmica 100.Los dispositivos de alineacion pueden ser cualquier dispositivo mecanico conocido configurado para conectar dos celdas electroqmmicas adyacentes. Por ejemplo, los dispositivos de alineacion pueden comprender al menos un sujetador (por ejemplo, varilla, llave, etc.) configurado para ser recibido en rebajes o cerraduras (no mostradas) de placas bipolares adyacentes 150. Se contempla que los rebajes o cerraduras puedan ser conformados y dimensionados para ser complementarios de al menos un sujetador.
En ciertas modalidades, el resistor de derivacion 200 puede insertarse, en lugar de los elementos de sujecion, en las escotaduras o cerraduras de las placas bipolares 150 enlazando una celda electroqmmica. En algunas otras modalidades, el resistor de derivacion 200 puede incluir uno o mas mecanismos de bloqueo para bloquear o agarrar los elementos de fijacion entre las placas bipolares 150. En modalidades alternativas, el resistor de derivacion 200 puede ser colocado entre placas bipolares de la celda y fijado mecanicamente a la pila de celdas electroqmmicas 50 o un bastidor que contiene la pila (no etiquetado) mediante el uso elementos de fijacion tradicionales, por ejemplo pernos, tornillos, etc.
Durante el uso, el resistor de derivacion 200 puede usarse para ajustar la tension traves de una celda electroqmmica danada. Una celda electroqmmica alterada puede definirse como una celda que tiene una tension que es superior a un valor de tension predeterminado. El valor de tension predeterminado puede ser, por ejemplo, un valor predeterminado por el operador, una tension promedio por celda de pilas electroqmmicas 50, o la tension minima de una celda electroqmmica 100 en la pila de celdas electroqmmicas 50. Adicionalmente y/o alternativamente, la celda electroqmmica danada puede definirse como una celda donde el calentamiento ohmico, por ejemplo, la cantidad de calor liberado desde la celda debido al paso de la corriente a traves de la celda, es mayor que un valor ohmico predeterminado. El valor ohmico predeterminado puede ser, por ejemplo, un valor predeterminado por el operador, una cantidad promedio de calor liberado por la pila de celdas electroqmmicas 50, o la generation minima de calor de una celda electroqmmica 100 en la pila 50. La celda alterada tambien puede tener una temperatura, corriente, resistencia u otro parametro asociado con la celda alterada que sea mayor que un valor umbral de una celda sana.
El resistor de derivacion 200 puede tener un valor de resistencia espetifico distinto de cero para derivar parcialmente la celda electroqmmica danada y disminuir la tension de dicha celula al valor de tension predeterminado. En algunas modalidades, el valor de resistencia del resistor de derivacion 200 se puede calcular sobre la base de una resistencia deseada y la resistencia real de la celda electroqmmica danada. La formula general para determinar el valor de resistencia de derivacion es:
(1) Rg = t-V
fit ~'Ra
La resistencia deseada (Rt) de la celda puede ser la resistencia de una celda cuya tension esta siendo igualada. La resistencia real (Ra) se puede calcular basandose en la tension de la celda electroqmmica antes de ser derivada.
En otras modalidades, la resistencia del resistor de derivacion 200 se puede calcular de manera que una cantidad de calor liberado de la celda electroqmmica danada pueda ser corregido para ser el mismo que para las celdas sanas. La formula para determinar el valor de resistencia de una derivacion para que coincida con la generacion de calor ohmico entre las celdas sanas y alteradas es:
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Como anteriormente, Rt corresponde a una resistencia deseada de la celda, que puede ser la resistencia de una celda cuya tension esta siendo igualada. De manera similar, Ra corresponde a una resistencia real de la celda, que puede calcularse en base a la tension de la celda electroqufmica danada antes de ser derivada. Usando la formula (2), el valor de resistencia calculado puede ser mayor que un valor de resistencia calculado derivado de la formula (l), discutida anteriormente. Esto puede ser efectivo para prolongar la vida util de la celda de bajo rendimiento mientras se alcanza el rendimiento deseado de la pila 50 que de otra manera serfa reducido mediante el uso de la formula (1) discutida anteriormente.
En ciertas modalidades, el resistor de derivacion 200 puede ser una resistencia estatica que tiene un valor de resistencia fijo. En algunas de estas modalidades, el resistor de derivacion 200 puede insertarse parcialmente en el area de derivacion 220.El area 200a del resistor de derivacion 200 en contacto con la celda puede ajustarse para proporcionar la resistencia calculada. En algunas otras modalidades, un usuario puede seleccionar un resistor de derivacion 200 de una pluralidad de resistores de derivacion estaticos 200 que tienen un intervalo de valores de resistencia. El resistor de derivacion seleccionado 200 puede tener una resistencia que coincida con la resistencia calculada, y puede ser insertado totalmente en el area de derivacion 220.
En algunas otras modalidades como la modalidad ilustrativa de la Figura5, el resistor de derivacion puede comprender un resistor de derivacion variable 210.El resistor de derivacion variable 210 puede incluir circuitos electronicos y circuitos integrados apropiados para permitir el cambio del valor de resistencia. El resistor de derivacion variable 210 se puede construir para incluir, por ejemplo, la electronica y los circuitos integrados entre dos contactos hechos de material electricamente conductor. La electronica y los circuitos pueden disenarse para recibir una entrada del usuario o programarse para tener una resistencia que varfe en funcion de la temperatura de la celda electroqufmica danada, la corriente suministrada, de la tension traves de la celda afectada o del valor de tension predeterminado. En esta modalidad, el resistor de derivacion 210 puede situarse en el area de derivacion 220 durante la production o puede insertarse en el area derivacion 220 durante el funcionamiento de la pila de celdas electroqufmicas 50.Los resistores de derivacion variables ilustrativos incluyen transistores de union bipolar (BJT) o transistores de efecto de campo de puerta de union (JFET).
Los valores de resistencia requeridos para derivar las celdas electroqufmicas danadas pueden variar. Se contempla que, en algunas modalidades, la resistividad de las celdas electroqufmicas 100 en la pila de celdas electroqufmicas 50 puede variar entre 5 y 1000 mQ-cm2.Las celdas que tienen un area activa que varfa de 5 a 1000 cm2 pueden por lo tanto tener una resistencia global que varfa de 0,005 a 200 mQ. Como la densidad de la corriente puede variar de aproximadamente 0,05 a aproximadamente 10 A/cm2, el resistor de derivacion puede variar de aproximadamente 0,005 a 1000 mQ.
En otras modalidades, el resistor de derivacion 200 puede tener resistencia cero y actuar como un conductor puro. En estas modalidades, el resistor de derivacion 200 puede usarse para desviar el flujo total de corriente electrica a la celda a traves de resistor de derivacion 200.Esto puede ser efectivo para cortocircuitar la celda afectada y aislar completamente la celda alterada de otras celdas en la pila de celdas electroqufmicas 50.
La Figura6 muestra un diagrama de flujo 300, para un metodo para ajustar el rendimiento de al menos una celda electroqufmica en una pila de celdas electroqufmicas. El metodo incluye proporcionar una pila de celdas electroqufmicas 50, que puede tener multiples celdas electroqufmicas 100 como se describio anteriormente (etapa 310).A continuation, el metodo puede incluir suministrar gas de hidrogeno a la pila de celdas electroqufmicas 50.Tambien se puede aplicar una potencia a la pila 50 (etapa 320) y puede comenzar la operation (etapa 330).
Durante el funcionamiento, se puede controlar al menos un parametro de una celda electroqufmica 100 (etapa 340). El parametro puede ser, por ejemplo, una tension a traves de al menos una celda, la resistencia de al menos una celda, la temperatura de al menos una celda, la densidad de corriente, etc. La monitorizacion del parametro puede realizarse mediante variados medios, por ejemplo, un voltfmetro, un ohmfmetro, un sensor de temperatura, etc.
Adicionalmente y/o alternativamente se puede configurar un procesador para controlar un parametro de cada celda electroqufmica de la pila 50.El procesador puede ser cualquier procesador conocido que incluya memoria. La memoria puede ser cualquiera o mas de una variedad de tipos de medios de almacenamiento internos o externos tales como, sin limitation, RAM, ROM, EPROM(es), EEPROM(es) y similares que proporcionan un registro de almacenamiento para almacenamiento de datos tal como en la forma de un area de almacenamiento interna de un ordenador, y puede ser memoria volatil o memoria no volatil. La memoria puede almacenar en ella varias rutinas que son ejecutables en el procesador. El procesador recibe senales de entrada de sensores asociadas con cada celda electroqufmica y procesa las senales de salida enviadas a un aparato de salida.
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En un ejemplo, un voitlmetro podrla estar asociado con cada celda y configurado para leer la tension de cada celda durante el funcionamiento de la pila 50. Si la tension de una celda individual es mas alta que un punto de referencia de tension crltica (etapa 350), el operador podrla ser alertado para derivar la celda. El punto crltico de tension puede, por ejemplo, corresponder al valor de tension predeterminado. Si la tension de una celda individual es mayor que el valor de tension predeterminado, el operador puede ser alertado para reducir la tension de la celda alterada mediante la celda electroqulmica danada (etapa 360). Como se ha descrito anteriormente, el valor de resistencia del resistor de derivacion 200 puede calcularse sobre la base de una resistencia deseada y de la resistencia real de la celda a desviar.
En otra modalidad, un sensor de temperatura podrla estar asociado con cada celda y configurado para detectar la temperatura de cada celda durante el funcionamiento de la pila 50. Si la temperatura de una celda individual es mayor que un punto de temperatura crltico, el operador podrla ser alertado para derivar la celda. En esta modalidad, el valor de resistencia del resistor de derivacion 200 puede calcularse basado en la formula (2) de manera que la celda alterada libera la misma cantidad de calor que las celdas sanas.
Una vez que se ha calculado el valor de la resistencia, el operador puede seleccionar un resistor de derivacion 200 para posicionar en el area de derivacion 220 de la celda a desviar. Como se ha descrito anteriormente, el resistor de derivacion 200 puede ser un resistor estatico que tiene un valor de resistencia fijo o un resistor de derivacion variable 210 programado para tener el valor de resistencia calculado. El resistor de derivacion seleccionado 200 puede colocarse entonces en el area de derivacion 220 desde el exterior de la pila de celdas electroqulmicas 50 durante el funcionamiento de la pila de celdas de electroqulmicas 50.Alternativamente, si el resistor de derivacion 200 se coloca en el area de derivacion durante la produccion, el operador puede hacer que el resistor de derivacion funcione.
Una vez en contacto con la celda alterada, el resistor de derivacion 200 puede desviar una fraccion de la corriente suministrada a la celda alrededor de las celdas vecinas. La corriente que no se desvla a traves del resistor de derivacion 200 puede usarse por la celda para bombear hidrogeno traves del PEM 130. De esta manera, la densidad de corriente y la tension de la celda, as! como tambien la generacion de calor, se pueden disminuir para reparar el funcionamiento de la celda. Este proceso puede continuar durante toda la operacion de la celda de pilas electroqulmicas 50 (etapas 370 y 380). En algunos casos, puede ser necesario aislar una celda electroqulmica de las celdas electroqulmicas adyacentes 100. Por ejemplo, puede ser necesario aislar una celda electroqulmica cuando la resistencia de la celda se vuelve alta debido a la corrosion de la placa bipolar, la degradacion del catalizador, la degradacion de la membrana, etc., tlpicamente causadas por continuas altas tensiones a lo largo del tiempo. En estos casos, el punto de referencia de tension crltico puede, por ejemplo, corresponder a un valor de tension defectuoso que es mas alto que el valor de tension predeterminado. El valor de tension defectuoso es una tension que puede conducir a la degradacion total de la celda. Si la tension de una celda individual es mayor que el valor de tension defectuoso, el operador puede ser alertado para aislar la celda defectuosa.
En algunas modalidades, como consecuencia de desviar una fraccion de la corriente, la celda reparada puede bombear menos hidrogeno. Esto, a su vez, puede reducir el rendimiento de la pila de celdas electroqulmicas 50.En estas modalidades, la corriente global suministrada a la pila de celdas electroqulmicas 50 puede aumentarse para mantener el rendimiento global de la pila de celdas electroqulmicas 50.Por ejemplo, en una pila de celdas electroqulmicas con n celdas, el aumento de la corriente total para compensar una celda derivada puede ser 1/n veces la cantidad de corriente desviada a traves del resistor de derivacion 200.
La corriente de desviacion a traves del resistor de derivacion 200 puede dar lugar a una generacion de calor ohmica significativa por el resistor de derivacion 200.Esto, a su vez, puede reducir la eficiencia del sistema 20 y aumentar la carga sobre los componentes de refrigeracion del sistema 20.Para superar tales problemas, pueden usarse convertidores bidireccionales en lugar de un resistor de derivacion 200.Los convertidores bidireccionales pueden configurarse para ajustar el flujo de corriente a traves de una celda de bajo rendimiento desviando el flujo de corriente alrededor de la celda de bajo rendimiento en la pila de celdas electroqulmicas 50.En comparacion, un sistema que utiliza convertidores bidireccionales puede ser mas eficiente que un sistema que utiliza uno o mas resistores shunt 200.
La Figura 7 es un diagrama esquematico de un sistema ejemplar 20 que incluye convertidores bidireccionales. Como se muestra en la figura 7, el sistema 20 incluye una fuente de alimentacion externa y al menos un convertidor bidireccional 400.El al menos un convertidor bidireccional 400 puede ser cualquier circuito o dispositivo conocido configurado para desviar una fraccion de la corriente electrica suministrada a una celda a celdas vecinas. En la modalidad ilustrativa, el al menos un convertidor bidireccional es un convertidor de CC a CC.
En la modalidad ilustrativa, el al menos un convertidor bidireccional 400 puede incluir dos convertidores bidireccionales dispuestos para realizar ajustes de corriente en una celda electroqulmica individual 100.Cada convertidor bidireccional 400 puede estar dispuesto entre dos celdas electroqulmicas adyacentes 100 en la pila 50 de manera que si la pila 50 comprende n celdas, entonces el numero total de convertidores bidireccionales en la pila 50 es (n - 1).Por ejemplo, en la Figura 7, el sistema 20 incluye una pila 50 que tiene tres celdas electroqulmicas 100, e incluye ademas dos convertidores bidireccionales 400.
En ciertas modalidades, se contempla que se pueden proporcionar convertidores bidireccionales 400 en la pila 50 y dispuestos para realizar ajustes de corriente en multiples celdas a la vez.
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Un convertidor bidireccional ilustrativo 400 se muestra en la Figura 8. Como se muestra en la figura 8, el convertidor bidireccional 400 puede incluir un circuito convertidor de impulso de carga. El convertidor bidireccional 400 puede configurarse para funcionar en un modo impulso cuando T1 se abre y T2 se conmuta, para desviar alguna corriente a traves de la alteration de la celda electroqufmica. El convertidor bidireccional 400 puede configurarse para operar en un modo convertidor cuando T2 esta abierto y T1 conmuta, para transmitir corriente a una celda "sana" vecina.
Con referencia a las Figuras 7 y 8, el suministro de energfa de alimentation puede proporcionar corriente a la pila electroqufmica 50, y los convertidores bidireccionales 400 pueden configurarse para ajustar el flujo corriente. Cuando la pila 50 esta sana, la corriente puede originarse desde el suministro de energfa de alimentacion y pasar a traves de las celdas electroqufmicas 100 de la pila 50 sin pasar a traves de los convertidores bidireccionales 400. Cuando se determina que una o mas de las celdas electroqufmicas 100 estan deterioradas, los convertidores bidireccionales 400 pueden encenderse. En ciertas modalidades, un convertidor bidireccional 400 puede operar en un modo de refuerzo para desviar cierta corriente de la celda electroqufmica danada y otro convertidor bidireccional 400 puede operar en modo convertidor para enviar la misma cantidad de corriente a una celda electroqufmica. La cantidad de salida de corriente por cada convertidor bidireccional 400 se puede calcular sobre la base de la ecuacion siguiente:
(3) iBi = Ii+1 -1,para i = 1, n - 1
en donde Ibi corresponde a la salida de corriente del convertidor bidireccional, e ii, i2,..., in corresponden a las corrientes de celda deseadas.
Como se indico anteriormente, el sistema descrito que usa uno o mas convertidores bidireccionales 400 puede ser mas eficiente que un sistema que utiliza una o mas resistencias de derivation. Cuando los convertidores bidireccionales 400 estan en funcionamiento, la salida de corriente de la fuente de energfa se puede calcular sobre la base de la siguiente ecuacion:
(4) lPS = l1 + m<llBiyirfr
2i/=i Kjlj
donde Ips corresponde a la salida de corriente de una fuente de suministro de energfa, Rj corresponde a la resistencia de la celda j, y n corresponde a la eficiencia de un convertidor si esta funcionando en modo de refuerzo y el recfproco de la eficiencia de un convertidor si esta funcionando en modo convertidor. Asumiendo que los convertidores tienen eficiencias de aproximadamente 95%, la perdida de energfa del sistema mediante el uso de los convertidores bidireccionales 400 puede ser inferior a un sistema mediante el uso de resistencias de derivacion que experimentan perdida de energfa debida al calentamiento ohmico.
Otras modalidades de la invention seran evidentes para aquellos con experiencia en la tecnica a partir de la consideration de la description y la practica de la invencion descrita en la presente. Se pretende que la description y los ejemplos se consideren solo como ilustrativos, con un alcance y espfritu verdadero de la invencion indicados por las siguientes reivindicaciones.

Claims (11)

  1. 5
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    Reivindicaciones
    1. Un metodo para ajustar el d de al menos una celda electroqulmica en una pila de celdas electroqulmicas, el metodo comprende:
    suministrar energla a una pila de celdas electroqulmicas, en donde la pila de celdas electroqulmicas incluye una pluralidad de celdas electroqulmicas;
    controlar un parametro de al menos una de la pluralidad de celdas electroqulmicas; determinar si una celda electroqulmica se dana, y
    desviar una fraccion del flujo de corriente de la celda electroqulmica deteriorada durante el funcionamiento de la pila de celdas electroqulmicas;
    en donde el desvlo de una fraccion del flujo de corriente desde la celda electroqulmica danada incluye una derivacion instalando una resistencia de derivacion en un area de derivacion de la celda electroqulmica danada durante el funcionamiento de la pila de celdas electroqulmicas; y
    ajustar un area de la resistencia de derivacion en contacto con la celda electroqulmica danada para ajustar el flujo actual a traves de la celda electroqulmica.
  2. 2. El metodo de la reivindicacion 1, en donde la celda electroqulmica incluye reducir la tension a traves de la celda electroqulmica danada.
  3. 3. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, en donde el parametro es al menos uno de una tension, una corriente y una temperatura.
  4. 4. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, en donde la determinacion de si una celda electroqulmica se deteriora incluye determinar si una tension a traves de la celda electroqulmica es mayor que un punto de consigna de tension crltico.
  5. 5. El metodo de la reivindicacion 4 que incluye ademas:
    calcular un valor de resistencia que es suficiente para disminuir la tension a traves de la celda electroqulmica danada a un valor de tension predeterminado; y
    seleccionar una resistencia de derivacion para derivar la celda electroqulmica danada en base al valor de resistencia calculado.
  6. 6. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 5, en donde el valor de tension predeterminado corresponde a al menos uno de una tension promedio por celda electroqulmica de la pila de celdas electroqulmicas y una tension minima de una celda electroqulmica de la pila de celdas electroqulmicas.
  7. 7. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, en donde la determinacion de si una celda electroqulmica se deteriora incluye determinar si una temperatura de la celda electroqulmica es mayor que un punto de consigna crltico de temperatura.
  8. 8. El metodo de la reivindicacion 7 que incluye ademas:
    calcular un valor de resistencia que es suficiente para dejar caer el calor generado por la celda electroqulmica danada a un valor predeterminado; y
    seleccionar una resistencia de derivacion para derivar la celda electroqulmica danada en base al valor de resistencia calculado.
  9. 9. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, en donde la celda electroqulmica danada incluye desviar una fraccion de la celda electroqulmica danada a traves de un resistor de derivacion para reducir el calor generado por la celda electroqulmica danada.
  10. 10. Una celda electroqulmica que comprende :
    una zona activa configurada para generar hidrogeno; y
    un area de derivacion fuera del limite del area activa, estando configurada la zona de derivacion para recibir una derivacion;
    en donde la derivacion esta parcialmente insertada en el area de derivacion para ajustar un area de la celda electroqulmica en contacto con la celda electroqulmica para ajustar el flujo de corriente a traves de la celda electroqulmica.
  11. 11. La celda de la reivindicacion 10, en donde el area de derivacion se dispone en una esquina o borde de la celda electroqulmica.
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