ES2892969T3 - Procedimiento de control de pila de combustible - Google Patents

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Abstract

Procedimiento de control de una pila de combustible de membrana electrolítica de polímero, de manera que la pila de combustible se instala en un sistema que comprende un circuito de alimentación de gas carburante que conecta un depósito de gas carburante al ánodo de la pila de combustible, y un circuito de alimentación de gas comburente que conecta un depósito de gas comburente, o aire atmosférico, al cátodo y en el que la pila de combustible está en acoplamiento directo con otro generador de tensión, comprendiendo el procedimiento las etapas siguientes: - se alimenta la pila de combustible con gas comburente, - se detecta que la corriente producida por la pila es superior a un primer umbral determinado en función del sistema en el que se instala la pila de combustible, y - se disminuye la alimentación con gas comburente de la pila de combustible con el fin de disminuir la corriente producida y - se efectúa una recirculación de gas catódico, extrayendo gas en la salida de cátodo y reinyectándolo en la entrada.

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento de control de pila de combustible
CAMPO DE LA INVENCIÓN
[0001] La presente invención se refiere a las pilas de combustible, en particular pero no exclusivamente a las pilas de combustible del tipo de electrolitos en forma de una membrana de polímero (es decir, de tipo PEFC, de Polymer Electrolyte Fuel Cell).
[0002] De manera más precisa, la presente invención se refiere al funcionamiento de una pila de combustible cuando se usa en un vehículo, en combinación con otra fuente de energía.
ESTADO DE LA TÉCNICA
[0003] Se sabe que las pilas de combustible permiten la producción directa de energía eléctrica por una reacción electroquímica de oxidorreducción a partir de un gas carburante y de un gas comburente, sin pasar por una conversión en energía mecánica. Esta tecnología parece prometedora especialmente para aplicaciones de automóviles.
[0004] El punto de funcionamiento de una pila de combustible, en términos de potencia eléctrica suministrada, está definido normalmente por la carga que se le aplica. Así, para un funcionamiento correcto de un vehículo provisto de una pila de combustible, es útil que la pila, durante su instalación en un sistema global de alimentación, esté conectada a un convertidor electrónico que permita hacer variar la impedancia vista por la pila de combustible, y por tanto su punto de funcionamiento. De hecho, para responder a la demanda de potencia del conductor expresada por medio del pedal de aceleración del vehículo, es necesario poder adaptar la potencia suministrada por la pila, mediante una modificación de su punto de funcionamiento. En este caso se precisa que cuando se habla de «variación del punto de funcionamiento», se transcriba por una variación de la intensidad de la corriente que sale de la pila de combustible: I PAC.
[0005] Se conocen así arquitecturas de vehículo denominadas «full H2», es decir, sin almacenamiento de batería, de las que se muestra un ejemplo en la figura 1. En este ejemplo, entre la pila de combustible 10 y el motor 12 está instalado un ondulador de motor 11. En este caso, el ondulador permite adaptar la impedancia vista por la pila de combustible, y por tanto el punto de funcionamiento I PAC.
[0006] Se conocen también arquitecturas de vehículo eléctrico con batería provisto de un prolongador de autonomía. La figura 2 ilustra un ejemplo de dicha arquitectura, en la cual el motor 22 es alimentado primariamente por una batería 23. Se dispone un ondulador 21 entre la batería 23 y el motor 21. Este vehículo está provisto de un prolongador de autonomía en forma de una pila de combustible 20, que permite una recarga de la batería 24 cuando esta se descarga. Con el fin de definir el punto de funcionamiento I PAC, se usa un convertidor de tensión 23 electrónico continuo/continuo, también denominado DC/DC, instalado entre la pila de combustible 20 y la batería 24.
[0007] Sin embargo, esta arquitectura presenta varios inconvenientes importantes, ya que el convertidor 23 es un componente caro, pesado y voluminoso. Además, el uso de dicho convertidor conduce a una pérdida de rendimiento, ya que el rendimiento clásico de un convertidor es del orden del 90% al 95%.
[0008] Por tanto, se ha planteado suprimir este convertidor 23, lo que conduce a un acoplamiento directo en paralelo, de la pila 20 y de la batería 24. Dicho acoplamiento impone restricciones en el emparejamiento de las tensiones de los dos generadores de tensión, ya que la pila de combustible y la batería deben presentar intervalos de tensión sustancialmente idénticos para poder conectarse directamente en paralelo. Dado que una batería presenta una tensión casi constante, será esta la tensión que se impondrá de facto a la pila de combustible.
[0009] Dicha restricción presenta dos inconvenientes importantes. Por una parte, el intervalo de variación de tensión de la batería, relativamente baja, no permite aplicar un intervalo amplio de variación del punto de funcionamiento de la pila de combustible. De hecho, la batería presenta una tensión sustancialmente constante, y por el acoplamiento directo impone su tensión a la pila de combustible. De ello resulta una corriente suministrada por la pila de combustible según su curva de polarización característica. En el ejemplo mostrado en la figura 4, la batería presenta una tensión de 62 V. Según la curva de polarización tomada en el ejemplo, la corriente suministrada por la pila de combustible será de 220 A. En la práctica, en función de las exigencias del conductor, la tensión de la batería varía, induciendo así también una variación de la corriente de la pila de combustible. Sin embargo, esta variación de tensión se mantiene relativamente baja y, por tanto, no permite aplicar un intervalo amplio de variación del punto de funcionamiento de la pila de combustible.
[0010] El documento US2015/0340717 describe un procedimiento de control de la alimentación con aire de una pila de combustible que equipa a un vehículo que permite suministrar una cantidad de aire suplementario a la pila durante una demanda de aceleración. El documento US2015/0105952 describe un procedimiento de control de la alimentación con aire de una pila de combustible que equipa a un vehículo con el fin de controlar la cantidad de aire suministrada a la pila en función de una demanda de aceleración, pero también en función de la potencia disponible que se suministrará al motor. Por otra parte, se revela imposible reducir la corriente suministrada por la pila de combustible cuando la demanda de potencia del motor es baja, o si el estado de carga de la batería no permite absorberla.
[0011] La presente invención pretende así proponer una solución que permita remediar estos dos inconvenientes.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
[0012] Una pila de combustible es un apilamiento de elementos unitarios, cada uno de los cuales está constituido esencialmente por un ánodo y un cátodo separados por una membrana de polímero que permite el paso de protones desde el ánodo al cátodo.
[0013] Este apilamiento se instala en un sistema que comprende un circuito de alimentación de gas carburante que conecta un depósito de gas carburante con el ánodo de la pila de combustible, y un circuito de alimentación de gas comburente que conecta un depósito de gas comburente, o aire atmosférico.
[0014] El ánodo alimentado con carburante, por ejemplo, hidrógeno, es el asiento de una semirreacción de oxidación. Al mismo tiempo, el cátodo alimentado con comburente, por ejemplo, oxígeno puro o contenido en el aire, es el asiento de una semirreacción de reducción. Son estas dos semirreacciones las que conducen a la producción de agua y de corriente.
[0015] Tal como se indica anteriormente, la presente invención tiene por objeto proponer una solución para reducir la corriente producida por la pila de combustible, cuando la demanda de motor es baja, o cuando el estado de carga de una batería conectada a la pila de combustible no permite absorber la corriente.
[0016] Para este fin, la invención se refiere a un procedimiento de control de una pila de combustible de membrana electrolítica de polímero según la reivindicación 1.
[0017] De manera más precisa, la cantidad de oxígeno introducida se reduce para limitar la corriente al valor deseado según la relación estequiométrica que relaciona linealmente la corriente producida y la cantidad de oxígeno consumido para una pila de combustible dada. Por ejemplo, para una pila de combustible compuesta por 50 celdas, el oxígeno consumido a 100 A es de 17,5 Litros Estándar por Minuto (SLPM). Así pues, teóricamente, si se desea limitar la corriente a 100 A, se reducirá la cantidad de aire introducido a 83 SLPM (17,5 SLPM/21%). En la práctica, una parte del oxígeno llega a escapar de la pila sin reaccionar, lo que obliga a una ligera sobrealimentación con respecto a la corriente deseada. De manera ventajosa, en una realización de la invención se usa un regulador encargado de proporcionar el caudal de aire para satisfacer un valor nominal de corriente.
[0018] La invención encuentra una aplicación en sistemas en los que la pila de combustible está en acoplamiento directo con otro generador de tensión, en particular una batería.
[0019] De manera más específica, la invención encuentra una aplicación especialmente ventajosa cuando la pila de combustible está acoplada a una carga regulada en tensión y no en corriente. De hecho, si la carga acoplada a la pila de combustible estuviera regulada en corriente, tendería a adaptar su impedancia para mantener una corriente constante, lo que conduciría al hundimiento de tensión de la celda ya que no habría suficiente aire para sostener esta corriente. En este modo de funcionamiento, es preferible por tanto que la carga funcione en modo de limitación de tensión baja de forma que no provoque el hundimiento de tensión de la pila de combustible.
[0020] La invención está así indicada especialmente cuando la pila de combustible está acoplada a otro generador de tensión. Así se evita de forma natural todo riesgo de hundimiento de tensión en que podría incurrirse en caso de subalimentación con aire.
[0021] Se sabe que el oxígeno consumido por una pila de combustible es rigurosamente proporcional a la corriente producida, definido por la relación siguiente:
mo 2. Consumo de oxígeno [g/s]
ne-: Número de electrones = 2
MWo2 : peso molecular del oxígeno
Nb_cell: Número de celdas en la pila
F: Constante de Faraday [96.487 culombios/mol]
Ifc: Corriente en la pila [A]
[0022] De manera preferente, en un procedimiento según la invención, la pila de combustible está sobrealimentada con oxidante, es decir, el cátodo recibe más oxígeno de lo necesario para sostener la corriente suministrada por la pila de combustible. En un ejemplo, esta sobrealimentación se caracteriza por una relación estequiométrica en el cátodo ajustada en torno a 2.
[0023] Dicho valor permite garantizar una buena homogeneización de la corriente en la superficie activa de las celdas de la pila de combustible, a la vez que se evita una saturación del aire en salida de la pila en agua producida por la pila de combustible.
[0024] Además, se ha constatado que no es conveniente una relación estequiométrica más elevada ya que podría conducir a un consumo parásito para la alimentación con aire, y a una desecación de los ensamblajes entre membranas y electrodos.
[0025] La invención propone así subalimentar la pila de combustible con aire cuando sea necesario reducir la corriente producida por la pila. Para ello, se disminuye la alimentación con oxidante de la pila. De hecho, cuando no hay suficiente oxidante para sostener el nivel de corriente producida por la pila, esta disminuye hasta alcanzar el nivel correspondiente a la cantidad de oxidante suministrada. En este caso se necesita que sea posible también anular totalmente la corriente producida por la pila de combustible si el caudal de aire que entra se interrumpe por completo.
[0026] La necesidad de reducir la corriente producida por la pila aparece especialmente en el caso en que la pila de combustible está conectada a una batería, por ejemplo, en un uso de la pila como prolongador de autonomía de un sistema alimentado por la batería. En este caso, la detección de la necesidad de reducir la corriente se efectúa de acuerdo con una estimación de la carga de la batería.
[0027] En otro ejemplo, puede ser necesario reducir la corriente si un motor alimentado por la pila de combustible, directa o indirectamente, requiere una potencia baja. En este caso, la detección se efectúa a partir de una medida de la corriente de bus.
[0028] Además, se ha constatado, durante la implementación de un procedimiento de control según la invención, que una subalimentación con aire de la pila de combustible conduce a una sobresaturación de humedad del aire que sale de la pila, ya que la cantidad de aire ya no es suficiente para evitar la condensación del agua producida. Con ello se incurre en el riesgo de conducir a fenómenos de inundación de la pila de combustible, y por tanto a disfunciones o a una degradación de la pila. Además, la subalimentación con oxidante puede provocar una separación de la superficie activa en dos zonas, una zona cerca de la entrada de aire que produce la corriente y una zona privada de oxígeno y que ya no produce corriente, véase la figura 5 descrita más adelante. En este caso, la zona privada de oxígeno en el cátodo, pero todavía alimentada con hidrógeno en el ánodo puede comportarse como una bomba de protones, es decir, se transformará en consumidora de corriente para la zona todavía activa, una corriente que se usará para bombear hidrógeno desde el ánodo hacia el cátodo a través de la membrana de intercambio de protones. Este proceso se conoce también para la compresión de hidrógeno de forma electroquímica. En nuestro caso, se trataría de una reacción que induciría un consumo parásito de corriente y también de hidrógeno. Además, el hidrógeno bombeado desde el ánodo hacia el cátodo puede reaccionar con el oxígeno residual, y producir un calentamiento por combustión que genera un riesgo de degradación de las celdas de la pila de combustible. Sin embargo, esta última reacción es poco probable ya que esta zona está muy empobrecida en oxígeno.
[0029] Por tanto, en una realización preferente, parece útil limitar la subalimentación a periodos puntuales.
[0030] Para este fin, en un ejemplo, un procedimiento según la invención comprende la etapa de realimentar la pila en las condiciones estequiométricas normales cuando la corriente que puede ser absorbida por la batería u otros elementos de consumo conectados a sus bornes se vuelve superior a un segundo umbral. Este segundo umbral es preferentemente al menos igual a la corriente producida por la pila en las condiciones estequiométricas normales, de forma que se evita una basculación repetida o inestable entre el funcionamiento normal y el funcionamiento con limitación de corriente.
[0031] Con el fin de evitar la separación de la zona activa, se efectúa una recirculación de gas catódico, con el fin de diluir el oxígeno residual de forma homogénea dentro del el cátodo y de favorecer una distribución de la corriente producida en toda la superficie activa. La recirculación puede realizarse por medio de una bomba que extrae el gas de la salida del cátodo para reintroducirlo en la entrada. Con esta disposición es posible prolongar el funcionamiento con limitación de corriente en un tiempo superior a varios minutos, e incluso de forma continua.
[0032] En otro ejemplo, un procedimiento según la invención comprende la etapa de apagar la pila de combustible y aislarla eléctricamente por medio de contactores en el caso en que la necesidad de reducir la corriente suministrada se prolongue, por ejemplo, más de 60 segundos.
[0033] Debe observarse que la invención puede implementarse ventajosamente en un vehículo eléctrico durante las fases de frenado de recuperación, en el caso en que las baterías estuvieran demasiado cargadas para aceptar la adición de la corriente producida por la pila de combustible y de la corriente que proviene del motor de tracción que funciona como generador.
[0034] La invención se refiere también a un sistema de pila de combustible de membrana electrolítica de polímero que comprende un circuito de alimentación de gas carburante que conecta un depósito de gas carburante con el ánodo de la pila de combustible, y un circuito de alimentación de gas comburente que conecta un depósito de gas comburente, o aire atmosférico, y que comprende medios de control que permiten la implementación de un procedimiento según la invención.
[0035] La invención se refiere también a un vehículo que comprende un sistema según la invención, y que comprende además un generador de tensión acoplado a la pila de combustible.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
[0036] Otros objetivos y ventajas de la invención aparecerán con claridad en la descripción que se ofrece a continuación de una realización preferida pero no limitativa, ilustrada por las figuras siguientes en las que:
• Las figuras 1,2 ya descritas, muestran arquitecturas de vehículos eléctricos,
• La figura 3, ya descrita, muestra la curva de polarización de una pila de combustible, que representa la corriente de la pila en función de la tensión,
• La figura 4 muestra la cartografía de la corriente producida por una celda durante una sobrealimentación con oxígeno de 1,8,
• La figura 5 muestra la cartografía de la corriente producida por una celda durante una subalimentación con oxígeno. DESCRIPCIÓN DE LA MEJOR REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN
[0037] La figura 4 representa la cartografía de la corriente medida en la superficie activa de una celda de pila de combustible de 200 cm2 por medio de un detector desarrollado especialmente. En este caso, la celda de pila de combustible produce una corriente de 95 A y está alimentada con un caudal de aire de 3 Litros Estándar por Minuto (SLPM). Según la relación descrita anteriormente en el párrafo [0021], esto corresponde a una sobrealimentación de oxígeno de 1,8. Se observa que la totalidad de la superficie activa de la celda contribuye a producir corriente, incluso si la homogeneidad no es perfecta.
[0038] La figura 5 representa la cartografía de la corriente producida por la celda del ejemplo anterior cuando el caudal de aire se reduce a 1,45 SLPM. Este caudal de aire no permite aportar la cantidad de oxígeno suficiente para sostener la corriente antes establecida a 95 A. La corriente se reduce así de forma natural a 80 A, lo que corresponde, según la relación anterior, a la corriente que permite un consumo prácticamente total del oxígeno aportado.
[0039] En la cartografía de la corriente se observa una falta de homogeneidad muy alta. De hecho, en la celda sometida a ensayo, el aire se hace entrar por la esquina superior izquierda y se distribuye en la superficie de la celda por canales en serpentín para salir por la esquina inferior derecha. En el curso de su desplazamiento a lo largo de los canales en serpentín, el aire se empobrece en oxígeno para terminar por aproximarse a una concentración de oxígeno nula al final de los canales. Por esta razón, la zona derecha de la celda, correspondiente al final de los canales, no produce casi corriente.
[0040] Se constata así, con ayuda de estas dos figuras, que la cantidad de aire suministrado por la pila de combustible tiene una influencia directa en la corriente producida, lo que permite en un procedimiento según la invención controlar eficazmente la corriente producida por la pila de combustible.

Claims (8)

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento de control de una pila de combustible de membrana electrolítica de polímero, de manera que la pila de combustible se instala en un sistema que comprende un circuito de alimentación de gas carburante que conecta un depósito de gas carburante al ánodo de la pila de combustible, y un circuito de alimentación de gas comburente que conecta un depósito de gas comburente, o aire atmosférico, al cátodo y en el que la pila de combustible está en acoplamiento directo con otro generador de tensión, comprendiendo el procedimiento las etapas siguientes:
• se alimenta la pila de combustible con gas comburente,
• se detecta que la corriente producida por la pila es superior a un primer umbral determinado en función del sistema en el que se instala la pila de combustible, y
• se disminuye la alimentación con gas comburente de la pila de combustible con el fin de disminuir la corriente producida y
• se efectúa una recirculación de gas catódico, extrayendo gas en la salida de cátodo y reinyectándolo en la entrada.
2. Procedimiento de control según la reivindicación 1, de manera que el procedimiento se implementa en un sistema que incluye además una batería conectada con la pila de combustible, y en el que la detección se efectúa a partir de la estimación de la carga de la batería.
3. Procedimiento de control según la reivindicación 1, de manera que el procedimiento se implementa en un sistema que incluye además una batería conectada con la pila de combustible, y en el que la detección se efectúa a partir de una medida de la corriente de bus.
4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además la etapa de realimentación de la pila en las condiciones estequiométricas normales cuando la corriente que puede ser absorbida por la batería u otros consumadores conectados a sus bornes se vuelve superior a un segundo umbral.
5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende además la etapa de apagar la pila después de un tiempo predeterminado de subalimentación.
6. Sistema de pila de combustible de membrana electrolítica de polímero que comprende un circuito de alimentación de gas carburante que conecta un depósito de gas carburante al ánodo de la pila de combustible, un circuito de alimentación de gas comburente que conecta un depósito de gas comburente, o aire atmosférico, al cátodo, y una bomba de recirculación instalada en el circuito de alimentación de gas comburente, estando la pila de combustible en acoplamiento directo con otro generador de tensión, y que comprende medios de control que permiten la implementación de un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4.
7. Sistema de pila de combustible según la reivindicación 6, que comprende además un regulador instalado en el circuito de alimentación de gas comburente, que permite suministrar el caudal de gas comburente.
8. Vehículo que comprende un sistema de pila de combustible según cualquiera de las reivindicaciones 6 o 7.
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