ES2792200T3 - Operación de células de combustible - Google Patents

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Abstract

Procedimiento para operar al menos una célula de combustible, donde se determinan parámetros de la célula de combustible, en base a los cuales se establece una curva característica de carga teniendo en cuenta el tipo de célula de combustible de la correspondiente célula de combustible, donde como parámetros se determinan al menos una tensión en circuito abierto de la célula, una temperatura de la célula, una tensión de carga de la célula y/o una composición de los gases de escape, donde la potencia se extrae de un convertidor de tensión continua y donde, en función de una potencia solicitada, se selecciona una combinación de corriente-tensión según la curva característica de carga, donde el convertidor de tensión continua, al arrancar la célula de combustible, cuando ésta no haya alcanzado aún la temperatura de operación, extrae siempre de la célula la combinación óptima de corriente-tensión para el proceso de arranque y ésta entonces se sigue ajustando hasta alcanzar la temperatura de operación, hasta alcanzar la mejor combinación de corriente-tensión para la célula y, por tanto, la máxima potencia de salida, o se tiene en cuenta el envejecimiento/degradación de la célula de combustible durante la operación y la curva de corriente-tensión se adapta dinámicamente a este envejecimiento celular, donde al menos un parámetro se determina durante la operación de la célula de manera al menos casi continua, donde la curva característica de carga se almacena en un controlador para el convertidor de tensión continua, donde el convertidor de tensión continua ajusta durante la operación los valores de corriente-tensión correspondientemente y, por tanto, protege a la célula frente a un daño adicional, cuando durante la operación se produzca un deterioro del estado de una membrana y, por tanto, una variación de los parámetros de la célula.

Description

DESCRIPCIÓN
Operación de células de combustible
La invención se relaciona con la operación de las células de combustible.
En las células de combustible de cualquier tipo, el envejecimiento de las células, debido al modo de operación, frecuentes arranques y paradas, contaminación de gases o procesos internos de membrana, produce esencialmente una modificación de la curva característica de corriente-tensión. Si esta modificación no se tiene en cuenta al cargar la célula, se acelera el proceso de envejecimiento de la célula, la célula falla más rápido o se daña. Lo mismo es válido para el proceso de arranque en células de combustible desde el estado frío. Si éstas se cargan demasiado al arrancar, fallan más rápido y sufren daños.
Hasta ahora, las células de combustible se habían operado sólo con una característica de aumento de la corriente máxima o sólo en un punto de trabajo fijo. Para fijar los parámetros tenía que establecerse un compromiso entre la dinámica máxima y la protección de la célula frente a sobrecargas. Esta fijación conlleva en las nuevas células que la posible dinámica de las células no se aproveche necesariamente, y en las células viejas o especialmente en las células dañadas conlleva una sobrecarga y, por tanto, un envejecimiento más rápido y un fallo prematuro de las células. Durante la operación, un daño de una célula sólo podía detectarse mediante el fallo de esta célula. De manera preventiva no podía, por tanto, tomarse hasta ahora ninguna medida. Un ejemplo de un control en una célula de combustible se conoce gracias a la US 2010/0136451 A1.
Ya se conocen numerosos procedimientos para operar células de combustible. En este contexto puede hacerse referencia a los siguientes documentos: US 2010/0136451 A1, WO 2008/082401 A1, US 2007/275276 A1 y WO 2008/004564 A1.
La invención se basa en el objeto de permitir una operación de células de combustible que al menos reduzca los problemas antes indicados.
Este objeto se resuelve con un procedimiento para operar al menos una célula de combustible, donde se determinan parámetros de la célula de combustible, en base a los cuales se establece una curva característica de carga considerando el tipo de célula de combustible de la correspondiente célula de combustible, donde como parámetros se determinan al menos una tensión en circuito abierto de la célula, una temperatura de la célula, una tensión de carga de la célula y/o una composición de los gases de escape, donde la potencia se extrae de un convertidor de tensión continua y donde, en función de una potencia solicitada, se selecciona una combinación de corriente-tensión según la curva característica de carga.
La solución conforme a la invención se basa en la evaluación inteligente de diversos parámetros de la célula y la adaptación de la curva característica de carga a través de un control apropiado del convertidor de tensión continua (también denominado convertidor DC/DC) en estos parámetros. Como el comportamiento de la/os diferentes células de combustible y tipos de células de combustible es muy diferente, la curva característica, en base a la cual se ajusta el respectivo punto de trabajo, se tiene que ajustar al respectivo tipo de célula de combustible.
Los valores para los correspondientes parámetros de la célula existen ya en caso normal al menos principalmente para monitorizar la célula de combustible en un controlador, aunque hasta ahora no se habían utilizado para adaptar la curva característica de carga. Si para la evaluación inteligente, que puede realizarse, por ejemplo, basada en modelos o a través de redes neuronales, debieran ser necesarios parámetros de la célula, que no existieran aún en el sistema correspondiente, sería evidente para el experto prever los correspondientes sensores para la medición de los valores pertinentes. La comunicación se lleva a cabo, debido a la cantidad de parámetros a transmitir, preferentemente a través de un sistema de bus cualquiera, aunque también puede realizarse (con correspondientemente mayor coste) a través de cualquier otro tipo de comunicación.
Evaluando los parámetros de la célula, lo que puede realizarse también en determinados momentos durante la operación, el convertidor DC/DC puede en cualquier momento tomar la máxima potencia posible de la célula, sin dañar la célula o dejar envejecer la célula anticipadamente (degradación). Además, el convertidor de tensión continua puede, ya al arrancar la célula, cuando ésta no haya alcanzado aún la temperatura de operación, tomar siempre de la célula la combinación de corriente-tensión óptima para el proceso de arranque y seguir ajustando ésta entonces hasta alcanzar la temperatura de operación, hasta la mejor combinación de corriente-tensión para la célula y, por tanto, se logra la máxima potencia de salida.
Si durante la operación se produjera, por ejemplo, un deterioro del estado de una membrana y, por tanto, una variación de los parámetros de la célula, el convertidor DC/DC, ya durante la operación, podría ajustar los valores de corriente-tensión correspondientemente y, por tanto, proteger la célula frente a un daño adicional. Con el procedimiento conforme a la invención puede también tenerse en cuenta el envejecimiento/ degradación de las células durante la operación y ajustar la curva de corriente-tensión dinámicamente a este envejecimiento celular. Este procedimiento del ajuste dinámico prolonga, por consiguiente, considerablemente la vida útil de las células de combustible- con mejora del proceso de arranque y mejora de la dinámica del sistema simultáneas.
En una forma de ordenación favorable, al menos un parámetro se determina al menos de forma casi continua durante la operación de la célula. Esto es posible para todos los parámetros a excepción de la tensión en circuito abierto de la célula, con lo que se logra una buena resolución temporal "de la monitorización y, por consiguiente, pueden detectarse correspondientemente de inmediato posibles daños que aparezcan. Cuando pueda interrumpirse la operación de la célula de combustible, podrá medirse la tensión en circuito abierto de la célula también en las pausas de operación. Si fuera necesario - o se deseara-, determinar la tensión en circuito abierto de la célula sólo al comienzo de la operación de la célula o también a intervalos intermedios, depende en gran medida del tipo de célula, del modo de operación de la célula y de la estructura del sistema conectado.
En otro modo de operación favorable, la curva característica de carga se almacena en un controlador para el convertidor de tensión continua. Como cada tipo de célula de combustible (PEM: "proton exchange membrane fuel cell - célula de combustible de membrana de intercambio de protones ", PAFC: "fosforic acid fuel cell - célula de combustible de ácido fosfórico", SOFC: "solid oxide fuel cell - célula de combustible de óxido sólido", etcétera) tiene una característica específica diferente, que puede además cambiarse incluso de generación a generación de la célula de combustible, en este contexto las curvas características de corriente-tensión pueden almacenarse individualmente en el respectivo controlador para el regulador DC/DC y opcionalmente ajustarse correspondientemente al actualizar la célula de combustible.
En otro modo de operación favorable, además, la curva característica de carga se almacena en forma de una curva fija o en forma de pares de parámetros significativos. Se almacena, por consiguiente, la curva característica de control para el regulador DC/DC o bien como curva fija (valores individuales para cada punto de operación de la célula de combustible) o en forma de pares de parámetros, cuyos valores intermedios determina el controlador por interpolación.
En otro modo de operación favorable se lleva a cabo un ajuste de los parámetros de control del convertidor de tensión continua automatizando una pila de células de combustible, que comprenda al menos la al menos una célula de combustible, a través de una automatización externa o a través de la electrónica interna del propio convertidor de tensión continua. En este sentido, con un "controlador para el convertidor de tensión continua" no se hace necesariamente referencia a una unidad de control (integrada) del convertidor de tensión continua.
En conjunto, mediante la solución conforme a la invención se produce un menor envejecimiento y, por tanto, una vida útil prolongada de la célula de combustible para una dinámica óptima adaptada al estado de la célula de combustible. Además, es especialmente importante, particularmente el aspecto de la menor probabilidad de fallo para determinadas aplicaciones de la célula de combustible y/o del sistema completo -, por ejemplo, en una aplicación en submarinos, donde esto se traduce en mayores tiempos de inmersión.
Resumiendo, la invención se relaciona con la operación de células de combustible. Para operar las células de combustible en función de su degradación, se propone una solución, en la que se determinan parámetros de la célula de combustible, en base a los cuales se establece una curva característica de carga considerando el tipo de célula de combustible de la correspondiente célula de combustible, donde como parámetros se determinan al menos una tensión en circuito abierto de la célula, una temperatura de la célula, una tensión de carga de la célula y/o una composición de los gases de escape, donde la potencia se extrae de un convertidor de tensión continua y donde en función de una potencia solicitada se selecciona una combinación de corriente-tensión según la curva característica de carga.
Por tanto, se posibilita operar una célula de combustible siempre en su rango de operación óptimo. Así puede ralentizarse el proceso de envejecimiento de la célula de combustible y elevarse la vida útil y la disponibilidad de una célula de combustible.

Claims (3)

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento para operar al menos una célula de combustible, donde se determinan parámetros de la célula de combustible, en base a los cuales se establece una curva característica de carga teniendo en cuenta el tipo de célula de combustible de la correspondiente célula de combustible, donde como parámetros se determinan al menos una tensión en circuito abierto de la célula, una temperatura de la célula, una tensión de carga de la célula y/o una composición de los gases de escape, donde la potencia se extrae de un convertidor de tensión continua y donde, en función de una potencia solicitada, se selecciona una combinación de corriente-tensión según la curva característica de carga, donde el convertidor de tensión continua, al arrancar la célula de combustible, cuando ésta no haya alcanzado aún la temperatura de operación, extrae siempre de la célula la combinación óptima de corriente-tensión para el proceso de arranque y ésta entonces se sigue ajustando hasta alcanzar la temperatura de operación, hasta alcanzar la mejor combinación de corriente-tensión para la célula y, por tanto, la máxima potencia de salida, o se tiene en cuenta el envejecimiento/degradación de la célula de combustible durante la operación y la curva de corriente-tensión se adapta dinámicamente a este envejecimiento celular, donde al menos un parámetro se determina durante la operación de la célula de manera al menos casi continua, donde la curva característica de carga se almacena en un controlador para el convertidor de tensión continua, donde el convertidor de tensión continua ajusta durante la operación los valores de corriente-tensión correspondientemente y, por tanto, protege a la célula frente a un daño adicional, cuando durante la operación se produzca un deterioro del estado de una membrana y, por tanto, una variación de los parámetros de la célula.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, donde la curva característica de carga se almacena en forma de una curva fija o en forma de pares de parámetros significativos.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, donde una adaptación de parámetros de control del convertidor de tensión continua se lleva a cabo a través de una automatización de una pila de células de combustible, que comprende al menos la al menos una célula de combustible, a través de una automatización externa o a través de una electrónica interna del propio convertidor de tensión continua.
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