ES2683240T3 - Instalación de células de combustible con detección de fugas - Google Patents

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Abstract

Instalación de células de combustible con varios módulos de células de combustible (1, 2, 3), los cuales funcionan con los reactantes hidrógeno y oxígeno y presentan para cada uno de los dos reactantes respectivamente una entrada (4, 6) y una salida (5, 7), a través de las cuales están conectados en paralelo en dos circuitos (8, 9) separados, de los dos reactantes, en los cuales puede introducirse respectivamente el correspondiente reactante a través de una válvula de alimentación (10, 12) y hacerse salir a través de una válvula de eliminación (11, 13), estando los módulos de células de combustible (1, 2, 3) conectados por sus entradas (4, 6) y salidas (5, 7) a través de válvulas de apertura/cierre (18, 19, 21, 22) controlables con los circuitos de reactante (8, 9), y habiendo conectados en las salidas (5, 7) para al menos uno de los dos reactantes, sensores (22, 28) para la detección del correspondiente otro reactante, que en caso de detección de un contenido que supera un valor umbral predeterminado del correspondiente otro reactante, generan señales (25), para separar a través de las válvulas de apertura/cierre (18, 19, 21, 22) los módulos de células de combustible (1, 2, 3), en cuyas salidas (5, 7) se detectó la superación del valor umbral, de los dos circuitos de reactante (8, 9).

Description

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DESCRIPCION
Instalacion de celulas de combustible con deteccion de fugas
La invencion se refiere a una instalacion de celulas de combustible con varios modulos de celulas de combustible, que funcionan con los reactantes hidrogeno y oxigeno. Los modulos de celulas de combustible pueden consistir en celulas de combustible individuales o en varias (pila de celulas de combustible).
Del documento WO2015024785 (A1) se conoce una pila de celulas de combustible que consiste en una cantidad de celulas de combustible, que presenta una entrada y una salida de hidrogeno, asi como una entrada y una salida de oxigeno. La pila de celulas de combustible esta conmutada a traves de su entrada y salida de hidrogeno en un circuito de hidrogeno, en el cual, a traves de una valvula de alimentacion puede dejarse entrar hidrogeno y a traves de una valvula de evacuacion puede dejarse salir. Con su entrada y salida de oxigeno la pila de celulas de combustible esta conmutada ademas de ello en un circuito de oxigeno, en el cual a traves de otra valvula de alimentacion puede dejarse entrar oxigeno y a traves de otra valvula de evacuacion puede dejarse salir. El circuito de hidrogeno y el circuito de oxigeno comprenden respectivamente una bomba de circulacion con un control de bomba asignado, para controlar o para regular el funcionamiento de circulacion del lado de oxigeno y del lado de hidrogeno, independientemente entre si. El funcionamiento de circulacion puede usarse en particular en varias celulas de combustible alimentadas en paralelo de la pila de celulas de combustible.
Del documento DE 102007040836 (A1) se conoce una instalacion de celulas de combustible de estructura en cascada con varias celulas de combustible y/o grupos de celulas de combustible, presentando cada una de las celulas de combustible un primer espacio de gas para un primer gas de proceso con un primer reactante, en particular hidrogeno, y un segundo espacio de gas para un segundo gas de proceso con un segundo reactante, en particular oxigeno, entre los cuales hay dispuesto un electrolito que deja pasar iones, en particular una membrana de polimero-electrolito (PEM). Si se forma en la membrana una fuga, entonces se produce un intercambio de gases y de esta manera una reaccion termica directa de los reactantes hidrogeno y oxigeno. Para proteger en caso de una fuga en la membrana de una celula de combustible, esta misma frente a danos como consecuencia de ello y mantener alejada la mezcla de gases de hidrogeno-oxigeno de las siguientes celulas de combustible o grupos de celulas de combustible y de esta manera tambien proteger las mismas, en las conexiones de conduccion entre las celulas de combustible o grupos de celulas de combustible, es decir, en sus salidas de hidrogeno, hay dispuestos respectivamente sensores de oxigeno. En caso de superarse un valor limite predeterminado para la proporcion de oxigeno se interrumpen el suministro de hidrogeno y de oxigeno hacia el primer grupo de celulas de combustible y de esta manera a la totalidad de la instalacion de celulas de combustible.
De manera alternativa a la deteccion de oxigeno la mezcla de gases de hidrogeno-oxigeno puede hacerse reaccionar cataliticamente. En este caso por un lado se destruye la mezcla de gases, lo cual mantiene particularmente seguras las celulas posteriores frente a danos termicos; por otro lado la mezcla de gases puede detectarse debido al calor de reaccion resultante mediante medicion de la temperatura. Cuando continua funcionando la instalacion de celulas de combustible queda no obstante el problema de que la celula de combustible defectuosa en la zona de la fuga ya no funciona electroquimicamente y se reduce la tension de celulas de combustible.
Del documento JPH06223850 (A) se conoce una celula de combustible PEM de funcionamiento con hidrogeno y oxigeno, en cuyo caso en la salida de oxigeno hay dispuesto un detector de hidrogeno. En caso de deteccion el detector de hidrogeno genera una senal, con la cual se interrumpe a traves de una valvula de apertura/cierre controlable el suministro de hidrogeno para la celula de combustible.
Del documento JP4923426 (B) se conoce una celula de combustible de funcionamiento con hidrogeno y oxigeno, en cuyo caso el hidrogeno se conduce por un circuito. Una unidad de control obtiene valores de medicion de la tension electrica, de la temperatura, de las presiones de entrada, asi como de la concentracion de hidrogeno en la salida de oxigeno de la celula de combustible y controla a traves de las valvulas la diferencia de presion entre el lado de anodos y de catodos, de manera que la concentracion de hidrogeno se mantiene en la salida de oxigeno por debajo de un primer valor umbral. Si se alcanza un segundo valor umbral, entonces se genera una alarma. Al alcanzarse un tercer valor umbral finalmente se desconecta la instalacion de celulas de combustible.
El documento US2004018404 (A1) divulga una celula de combustible de funcionamiento con hidrogeno y aire. Una unidad de control obtiene como valores de medicion la presion del hidrogeno suministrado, la presion y el flujo del aire suministrado, la corriente generada, asi como el contenido de hidrogeno medido con un sensor de hidrogeno, en la salida de aire, y controla un regulador de corriente y el suministro de hidrogeno y aire. En dependencia del estado de funcionamiento de la celula de combustible esta previsto un determinado intervalo de tolerancia para el contenido de hidrogeno en la salida de oxigeno, dentro del cual se regulan la diferencia de presion, el flujo y la corriente.
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La invencion se basa en la tarea de indicar una instalacion de celulas de combustible de funcionamiento con hidrogeno y oxfgeno con varias celulas de combustible y/o grupos de celulas de combustible, que tambien en caso de una fuga puede continuar funcionando de manera segura.
Segun la invencion la tarea se soluciona mediante la instalacion de celulas de combustible que se define en la reivindicacion 1, de la cual se indican perfeccionamientos ventajosos en las reivindicaciones secundarias.
Es por tanto objeto de la invencion una instalacion de celulas de combustible con varios modulos de celulas de combustible, los cuales funcionan con los reactantes hidrogeno y oxfgeno y que presentan para cada uno de los dos reactantes respectivamente una entrada y una salida, a traves de las cuales estan conectados en paralelo en dos circuitos separados de los dos reactantes, en los cuales puede introducirse respectivamente el correspondiente reactante a traves de una valvula de alimentacion y hacerse salir a traves de una valvula de eliminacion, estando los modulos de celulas de combustible conectados por sus entradas y sus salidas a traves de valvulas de apertura/cierre controlables con los circuitos de reactante, y habiendo conectados en las salidas para al menos uno de los dos reactantes, sensores para la deteccion del correspondiente otro reactante, que en caso de un contenido que supera un valor umbral predeterminado del correspondiente otro reactante generan senales, para separar a traves de las valvulas de apertura/cierre los modulos de celulas de combustible, en cuyas salidas se detecto la superacion del valor umbral, de los dos circuitos de reactante.
Tan pronto como se detecta por lo tanto en uno de los modulos de celulas de combustible una fuga, este modulo se separa tanto por el lado de la entrada, como tambien por el lado de la salida, de la alimentacion del reactante, de manera que queda excluido un arrastre del reactante extrano que penetra debido a la fuga, en los otros modulos de celulas de combustible. Ademas de la supresion del proceso de celulas de combustible qufmicas, el modulo de celulas de combustible en cuestion ha de separarse tambien electricamente del resto de los modulos, siempre y cuando estos no esten ya desacoplados a traves de diodos en lo que al funcionamiento se refiere. Los modulos de celulas de combustible intactos continuan alimentandose desde los circuitos de reactantes, siendo necesaria en este caso eventualmente solo una adaptacion de la potencia. Esta no se produce sin embargo para cada modulo de celulas de combustible individual, sino a traves de la regulacion conjunta de los circuitos de los reactantes.
La supervision de las fugas puede producirse basicamente por ambos lados de los modulos de celulas de combustible, es decir, para ambos reactantes. De manera preferente los sensores estan colocados sin embargo solo en las salidas para uno de los dos reactantes, cuya presion esta ajustada entonces mediante regulacion de presion correspondiente en los circuitos de reactante de manera ligeramente mas baja que la de los otros reactantes.
Dado que la viscosidad del oxfgeno es mayor que la del hidrogeno, y debido a ello en caso de fallo sale mas hidrogeno a traves de la fuga que oxfgeno, se ajusta preferentemente mas alta la presion en el circuito de oxfgeno que en el circuito de hidrogeno, y la salida de hidrogeno de los modulos de celulas de combustible se vigilan en lo que a presencia del oxfgeno se refiere.
Los sensores que sirven para la vigilancia de las fugas estan dispuestos de manera ventajosa entre las salidas de los modulos de celulas de combustible y las valvulas de apertura/cierre, a traves de las cuales estan conectadas las salidas con los correspondientes circuitos de reactante. De esta manera se logra que en caso de deteccion el modulo de celulas de combustible afectado pueda separarse del circuito de los reactantes, antes de que el reactante extrano alcance este. Esto es ventajoso en particular, cuando la deteccion, como por ejemplo en el caso de la combustion catalftica del hidrogeno y deteccion del desarrollo de calor, se produce de manera demorada, o el modulo de celulas de combustible se separa en primer lugar por el lado de entrada y solo tras una demora por el lado de salida de los circuitos de los reactantes, para que el modulo de celulas de combustible desconectado entonces quede sin presion. En cuanto que se preve un volumen de gas lo suficientemente grande entre el lugar de deteccion con el sensor y el lugar de la separacion con la valvula de apertura/cierre, es posible una demora de desconexion casi cualquiera sin poner en riesgo los otros modulos de celulas de combustible.
Los sensores pueden estar configurados para la deteccion libre de destruccion del correspondiente otro reactante. Forman parte de estos ademas de los sensores de funcionamiento optico, los cuales miden la concentracion de los reactantes a medir mediante su absorcion especffica de longitud de onda, en particular tambien los detectores con capacidad de conduccion termica, en cuyo caso el esfuerzo de tecnica de medicion es reducido y que son adecuados en particular para la medicion de mezclas de gases de dos componentes.
Dado que en caso de fuga una desconexion de los modulos de celulas de combustible afectadas se produce solo cuando la concentracion de gas del reactante extrano detectado supera un valor umbral predeterminado, pueden acceder proporciones, aunque solo sean muy reducidas, del reactante extrano, al correspondiente circuito a proteger y eventualmente aumentar durante un tiempo mas largo, no siendo detectables ya especfficamente sin mayor problema para los modulos de celulas de combustible defectuosos. Para evitar este problema hay dispuesto segun un perfeccionamiento ventajoso de la instalacion de celulas de combustible segun la invencion en el circuito del reactante vigilado por los sensores, en una seccion tras la ultima salida y antes de la primera entrada de un modulo de celulas de combustible, una instalacion para la combustion catalftica del hidrogeno. De manera alternativa los
sensores en los modulos de celulas de combustible pueden estar configurados en si mismos para la combustion catalitica del hidrogeno, detectandose la presencia del reactante extrano mediante la medicion del aumento de la temperatura debido al calor de combustion.
Como ya se ha mencionado arriba, en el caso de la desconexion de un modulo de celulas de combustible 5 defectuoso, los modulos de celulas de combustible intactos continuan alimentandose desde los circuitos de los reactantes, siendo necesaria eventualmente una adaptacion de la potencia, pero que no se produce individualmente para cada modulo de celulas de combustible individual, sino a traves de la regulacion general de los circuitos de los reactantes. Para este fin los circuitos de reactante comprenden respectivamente una bomba de circulacion con control de bomba asignado, estando configurados los controles de bomba para controlar la potencia de la 10 correspondiente bomba de circulacion en dependencia de una informacion sobre la cantidad de los modulos de celulas de combustible conectadas a los circuitos de reactante, actualizandose esta informacion en dependencia de las senales generadas por los sensores.
Para una explicacion mas detallada de la invencion se hace referencia en lo sucesivo a las figuras del dibujo; en detalle muestran correspondientemente en representacion esquematica:
15 La Fig. 1 un primer ejemplo de realizacion de la instalacion de celulas de combustible segun la invencion y
La Fig. 2 un segundo ejemplo de realizacion de la instalacion de celulas de combustible segun la invencion.
Las mismas referencias tienen en las diferentes figuras el mismo significado.
La Fig. 1 muestra una instalacion de celulas de combustible con varios modulos de celulas de combustible 1, 2, 3, los cuales funcionan con los reactantes hidrogeno H2 y oxigeno O2. Como se muestra mediante el ejemplo del 20 modulo de celulas de combustible 1, todos los modulos de celulas de combustible 1,2, 3 presentan para el reactante hidrogeno una entrada 4 y una salida 5 y para el reactante oxigeno una entrada 6 y una salida 7. Los modulos de celulas de combustible 1, 2, 3 estan conectados en paralelo a traves de la entrada 4 y la salida 5 en un circuito de hidrogeno 8 y a traves de la entrada 6 y la salida 7 en paralelo en un circuito de oxigeno. El hidrogeno puede introducirse a traves de una valvula de alimentacion 10 controlable en el circuito 8 y evacuarse a traves de una 25 valvula de eliminacion 11 del circuito 8. En correspondencia con ello, el oxigeno puede introducirse a traves de una valvula de alimentacion 12 controlable en el circuito 9 y evacuarse a traves de una valvula de eliminacion 13 del circuito 9. Cada circuito de reactante 8, 9 contiene una bomba de circulacion controlable (compresor) 14, 15 para el transporte del correspondiente reactante a traves de los modulos de celulas de combustible 1, 2, 3 conectados en paralelo. Los controles de bomba 16, 17 asignados a las bombas 14, 15 sirven para el ajuste de los flujos y de las 30 presiones en los circuitos de reactante 8, 9. Por lo demas se remite en lo que se refiere al funcionamiento de circulacion, al documento WO2015024785 (A1) mencionado inicialmente, del cual se conoce la alimentacion de una pila de celulas de combustible con reactante desde dos circuitos de gas separados.
Como se muestra por su parte en el ejemplo del modulo de celulas de combustible 1, cada uno de los modulos de celulas de combustible 1, 2, 3 esta conectado por sus entradas 4, 6 y salidas 5, 7 a traves de valvulas de 35 apertura/cierre 18, 19, 20, 21 controlables con el correspondiente circuito de reactante 8, 9. En el ejemplo mostrado en la Fig. 1, en cada uno de los modulos de celulas de combustible 1, 2, 3 hay conectado en la salida 5 para el reactante hidrogeno un sensor 22 para la deteccion de la presencia del correspondiente otro reactante, en este caso oxigeno. El sensor 22 mismo o una instalacion de evaluacion 23 postconectada, que puede sumarse al sensor, y puede ser al igual que los controles de bomba 16, 17 parte de un control 24 superior para la instalacion de celulas de 40 combustible, genera en caso de deteccion de un contenido de oxigeno que supera un valor umbral predeterminado, una senal 25, para separar a traves de las valvulas de apertura/cierre 18, 19, 20, 21 el correspondiente modulo de celulas de combustible, por ejemplo 1, en cuya salida 5 se detecto la superacion del valor umbral, de los dos sistemas de circulacion de reactante 8, 9. La senal 25 puede usarse tambien para separar el modulo de celulas de combustible 1 defectuoso a traves de conmutadores no mostrados en este caso, electricamente de los restantes 45 modulos 2, 3 o de la carga electrica.
En cuanto que para la seccion de conduccion entre el sensor 22 y la posterior valvula de apertura/cierre 19 esta previsto un volumen de gas 26 lo suficientemente alto, se asegura que tambien en caso de una separacion ocurrida de forma demorada el reactante extrano, en este caso oxigeno, no accede al circuito de hidrogeno 8. En caso de que aun asi accedan pequenas cantidades de oxigeno al circuito de hidrogeno 8, se eliminan en una instalacion 27 50 para la combustion catalitica del hidrogeno. Esta instalacion 27 esta dispuesta en una seccion del circuito de hidrogeno 8, la cual, visto en direccion de circulacion, se encuentra tras la ultima salida 5 del ultimo modulo de celulas de combustible 3 y delante de la salida 4 del primer modulo de celulas de combustible 3.
Los controles de bomba 16, 17 contienen en una memoria no mostrada en este caso, informaciones sobre la cantidad de los modulos de celulas de combustible 1, 2, 3 conectados con los circuitos de reactante 8, 9, para 55 controlar en dependencia de ello la potencia de las bombas. En la generacion de la senal 25 para cerrar las valvulas
de apertura/cierre 18, 19, 20, 21, se actualiza esta informacion en la memoria, de manera que el rendimiento de las bombas se adapta a las condiciones modificadas. Lo mismo es valido tambien para la alimentacion no mostrada en este caso de los modulos de celulas de combustible 1, 2, 3 con agente refrigerante, adaptandose la potencia de enfriamiento.
5 El ejemplo de realizacion mostrado en la Fig. 2 de la instalacion de celulas de combustible segun la invencion se diferencia del mostrado en la Fig. 1 debido a que tambien se vigilan las salidas de oxigeno 7 mediante sensores 28 adicionales en lo que a la presencia del otro reactante se trata, en este caso hidrogeno. Cuando uno de los sensores 22, 28 detecta una superacion de valor umbral en el caso del correspondiente reactante extrano detectado, la instalacion de evaluacion 23 genera la senal 25 para separar el modulo de celulas de combustible afectado, por 10 ejemplo 1, de los circuitos de reactante 8, 9. Siempre y cuando los sensores 22, 28 dispongan de instalaciones de evaluacion propias para la deteccion de la superacion del valor umbral, cada sensor 22, 28 puede generar la senal 25 por si mismo.
En el ejemplo de realizacion mostrado, esta prevista una instalacion 29 para la combustion catalitica de hidrogeno tambien en el circuito de oxigeno 9. De manera alternativa los sensores 22, 28 pueden estar configurados por si 15 mismos para la combustion catalitica del hidrogeno y para la deteccion del desarrollo de calor resultante en este caso.

Claims (9)

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    15
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    30
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    REIVINDICACIONES
    1. Instalacion de celulas de combustible con varios modulos de celulas de combustible (1,2, 3), los cuales funcionan con los reactantes hidrogeno y oxfgeno y presentan para cada uno de los dos reactantes respectivamente una entrada (4, 6) y una salida (5, 7), a traves de las cuales estan conectados en paralelo en dos circuitos (8, 9) separados, de los dos reactantes, en los cuales puede introducirse respectivamente el correspondiente reactante a traves de una valvula de alimentacion (10, 12) y hacerse salir a traves de una valvula de eliminacion (11, 13), estando los modulos de celulas de combustible (1, 2, 3) conectados por sus entradas (4, 6) y salidas (5, 7) a traves de valvulas de apertura/cierre (18, 19, 21, 22) controlables con los circuitos de reactante (8, 9), y habiendo conectados en las salidas (5, 7) para al menos uno de los dos reactantes, sensores (22, 28) para la deteccion del correspondiente otro reactante, que en caso de deteccion de un contenido que supera un valor umbral predeterminado del correspondiente otro reactante, generan senales (25), para separar a traves de las valvulas de apertura/cierre (18, 19, 21, 22) los modulos de celulas de combustible (1, 2, 3), en cuyas salidas (5, 7) se detecto la superacion del valor umbral, de los dos circuitos de reactante (8, 9).
  2. 2. Instalacion de celulas de combustible segun la reivindicacion 1, caracterizada por que los sensores (22) estan conectados solo a las salidas (5) para uno de los dos reactantes, y la presion en el circuito (8) de este un reactante es menor que la presion en el circuito (9) del otro reactante.
  3. 3. Instalacion de celulas de combustible segun la reivindicacion 2, caracterizada por que uno de los reactantes es hidrogeno y el otro reactante oxfgeno.
  4. 4. Instalacion de celulas de combustible segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que los sensores (22, 28) estan dispuestos entre las salidas (5, 7) y las valvulas de apertura/cierre (19, 21) que conectan estas con los correspondientes circuitos de reactante (8, 9).
  5. 5. Instalacion de celulas de combustible segun la reivindicacion 4, caracterizada por que entre los sensores (22) y las valvulas de apertura/cierre (19), las cuales conectan las salidas (5) controladas por los sensores (22) con el circuito de reactante (8), hay previsto correspondientemente un volumen de gas (26) de tamano predeterminado.
  6. 6. Instalacion de celulas de combustible segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que los sensores (22) estan configurados para la deteccion libre de destruccion del correspondiente otro reactante.
  7. 7. Instalacion de celulas de combustible segun la reivindicacion 6, caracterizada por que en el circuito (8, 9) del reactante controlado por los sensores (22, 28) hay dispuesta en una seccion tras la ultima salida (5, 7) y delante de la primera entrada (6, 4) de un modulo de celulas de combustible (3 o 1), una instalacion (27, 29) para la combustion catalftica del hidrogeno.
  8. 8. Instalacion de celulas de combustible segun una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada por que los sensores (22, 28) estan configurados para la combustion catalftica del hidrogeno y la deteccion del desarrollo de calor.
  9. 9. Instalacion de celulas de combustible segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que los circuitos de reactante (8, 9) comprenden respectivamente una bomba de circulacion (14, 15) con un control de bomba (16, 17) asignado, que los controles de bomba (16, 17) estan configurados para controlar la potencia de las bombas de circulacion (14, 15) en dependencia de una informacion sobre la cantidad de los modulos de celulas de combustible (1, 2, 3) conectados actualmente a los circuitos de reactante (8, 9) y que esta informacion se actualiza en dependencia de las senales (25) generadas por los sensores (22, 28).
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