ES2929204T3 - Dispositivo para el funcionamiento de un consumidor de hidrógeno exotérmico con acumulador de hidruro metálico - Google Patents

Dispositivo para el funcionamiento de un consumidor de hidrógeno exotérmico con acumulador de hidruro metálico Download PDF

Info

Publication number
ES2929204T3
ES2929204T3 ES19219241T ES19219241T ES2929204T3 ES 2929204 T3 ES2929204 T3 ES 2929204T3 ES 19219241 T ES19219241 T ES 19219241T ES 19219241 T ES19219241 T ES 19219241T ES 2929204 T3 ES2929204 T3 ES 2929204T3
Authority
ES
Spain
Prior art keywords
hydrogen
tank
metal hydride
temperature
consumer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
ES19219241T
Other languages
English (en)
Inventor
Von Colbe José M Bellosta
Thomas Klassen
Martin Dornheim
Julian Jepsen
Klaus Taube
Dieter Platzek
Julián Puszkiel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
PANCO GmbH
Helmholtz Zentrum Hereon GmbH
Original Assignee
PANCO GmbH
Helmholtz Zentrum Hereon GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by PANCO GmbH, Helmholtz Zentrum Hereon GmbH filed Critical PANCO GmbH
Application granted granted Critical
Publication of ES2929204T3 publication Critical patent/ES2929204T3/es
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04225—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/065—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants by dissolution of metals or alloys; by dehydriding metallic substances
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H01M8/04216—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes characterised by the choice for a specific material, e.g. carbon, hydride, absorbent
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04253—Means for solving freezing problems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618—Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/32—Hydrogen storage
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Abstract

La invención se refiere a un dispositivo de arranque en frío para un consumidor de hidrógeno exotérmico, como una pila de combustible, y un método para operar un consumidor de hidrógeno exotérmico con un dispositivo de almacenamiento de hidruro metálico o suministro de hidrógeno por medio de un reformador. El objeto de la presente invención es proporcionar una pila de combustible con un dispositivo de arranque en frío eficiente que pueda ponerse en funcionamiento inmediatamente y que no requiera un tanque de presión. Además, el dispositivo de arranque en frío debe estar disponible para un número ilimitado de arranques. El objeto se logra mediante un dispositivo para operar una celda de combustible u otro consumidor de hidrógeno exotérmico, que comprende al menos un tanque de arranque, que comprende un hidruro metálico con propiedades de arranque en frío, y al menos un tanque de servicio, que comprende al menos un medio- hidruro de temperatura, o al menos un reformador, el tanque de arranque que tiene el consumidor de hidrógeno exotérmico y el tanque de servicio o el reformador están en comunicación de flujo, donde el primer tanque de arranque comprende un hidruro metálico que tiene una presión de equilibrio para la desorción de al menos 100 kPa en una temperatura de -40 °C, y comprende además el enfriamiento hasta que el suministro de la pila de combustible puede recargarse con hidrógeno procedente del depósito de funcionamiento o del reformador. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivo para el funcionamiento de un consumidor de hidrógeno exotérmico con acumulador de hidruro metálico CAMPO DE LA INVENCIÓN
La invención se refiere a un dispositivo de arranque en frío con acumulador de hidruro metálico para un consumidor de hidrógeno exotérmico, como una pila de combustible, así como a un procedimiento para el funcionamiento de un consumidor de hidrógeno exotérmico semejante.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
En la electrólisis del agua, las moléculas de agua se descomponen mediante corriente eléctrica en hidrógeno (H2) y oxígeno (O2). En una pila de combustible, este proceso discurre en la dirección opuesta. Debido al enlace electroquímico de hidrógeno (H2) y oxígeno (O2) en agua, la energía liberada se convierte en corriente eléctrica con alta eficiencia.
La implementación técnica del principio de la pila de combustible ha dado lugar a diferentes soluciones, a saber, con diferentes tipos de electrolitos y con temperaturas de funcionamiento entre 10 °C y 1000 °C. En función de su temperatura de funcionamiento, las pilas de combustible se dividen en pilas de combustible de baja, media y alta temperatura (véase, por ejemplo, DE 198 36 352 A1). Las pilas de combustible de baja temperatura trabajan a temperaturas de funcionamiento comparativamente moderadas de 60 °C a 120 °C y, debido a las temperaturas moderadas, son adecuadas en particular para aplicaciones móviles como el funcionamiento de un vehículo de motor. En los vehículos de motor, la pila de combustible del tipo PEM de baja temperatura se utiliza preferentemente y funciona a temperaturas entre 60 °C y 90 °C.
El hidrógeno requerido como combustible se proporciona habitualmente a partir de un tanque a presión, ya que con este se puede poner a disposición hidrógeno en todo el rango de temperatura de funcionamiento. Pero, estos tanques de presión son comparativamente voluminosos, de modo que el alcance de las aplicaciones móviles, como durante el funcionamiento de un vehículo de motor, se limita por el espacio de almacenamiento limitado disponible. Se conoce que sobre la base de hidruros metálicos se pueden formar acumuladores de hidrógeno, denominados acumuladores de hidruro metálico, que requieren mucho menos espacio con la misma capacidad. Sin embargo, a los acumuladores de hidruro metálico para la desorción de hidrógeno por lo general se les debe suministrar calor; el calor se debe evacuar en la absorción de hidrógeno. En función del hidruro metálico, para la desorción de hidrógeno se requieren temperaturas entre -30°C y 400°C. Pero, en general, se necesitan presiones de hidrógeno de menos de 10 MPa, que son suficientes para el funcionamiento de una pila de combustible, lo que simplifica considerablemente la construcción de estos tanques en comparación con los tanques de presión de hidrógeno.
Los hidruros metálicos utilizados como acumuladores de hidrógeno también se clasifican en diferentes categorías según la temperatura de desorción. Una visión general de los hidruros metálicos comunes y sus propiedades se encuentra en B. Sakintuna et al. «Metal hydride materials for solid hydrogen storage: A review", International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 32 (2007), 1121- 1140, a la que se hace referencia aquí. El hidrógeno, mediante la ecuación:
Metal hidrógeno <-> hidruro metálico calor
se deposita (absorbe) en la rejilla metálica o se deprende (desorbe) del hidruro. La relación entre la presión, temperatura y concentración de hidrógeno en el metal se representa como isotermas de concentración-presión (ICP). El hidrógeno se deprende a una temperatura determinada, aumentando la presión en la rejilla metálica. Este proceso obedece a la ley de Sieverts hasta que se alcanza una concentración de saturación (fase a). Después de eso, la concentración en el metal aumenta sin aumento de la presión - se forma la fase de hidruro (fase p). Esta área de meseta obedece tanto a la ley de van't Hoff como a la regla de las fases de Gibbs. En el extremo de la meseta, la presión se eleva de nuevo al cuadrado y el hidrógeno se desprende en la fase de hidruro según la ley de Sieverts. Para la comparación de diferentes hidruros se ha generalizado construir diagramas de van't-Hoff a partir de los valores de equilibrio en el centro de la meseta. A partir de la pendiente de las rectas se puede leer la entalpía de reacción para la reacción de absorción de hidrógeno (A Habs).
En hidruros de temperatura media, la desorción comienza a una presión normal de 10 kPa entre 100°C y 200°C. Los hidruros de temperatura media están definidos por una entalpía de reacción absoluta (A Habs) para la reacción de absorción de hidrógeno entre 30 kJ/mol H2 y 65 kJ/mol H2. Por lo general, presentan una densidad de almacenamiento para hidrógeno de aproximadamente 2,5% en peso a 5% en peso sobre la base del metal subyacente. Los hidruros de temperatura media incluyen, entre otros, alanatos como NaAlH4 y amidas como LiNH2 con una capacidad de absorción de H2 de hasta el 4,5% en peso. La temperatura óptima de absorción de hidrógeno, por ejemplo, para el alanato de sodio se sitúa en aproximadamente 125 °C y la temperatura de liberación de hidrógeno en 160 a 185 °C. Los hidruros de temperatura media son candidatos interesantes para aplicaciones móviles debido a la capacidad de almacenamiento de hidrógeno relativamente alta y las temperaturas de funcionamiento relativamente bajas.
En el caso de hidruros de alta temperatura, la desorción comienza a una presión normal de 10 kPa por encima de 200 °C. Están definidos por una entalpía de reacción absoluta A Habs para la reacción de absorción de hidrógeno de más de 65 kJ/mol H2. Por lo general, tienen una densidad de almacenamiento aún mayor para el hidrógeno de aprox. un 7% en peso a 15% en peso sobre la base del metal subyacente. A menudo formados por metales ligeros (magnesio, aluminio) y/o no metales (nitrógeno, boro), podrían ser adecuados para su uso en pilas de combustible y motores de combustión interna debido a altas capacidades, pero las altas temperaturas son un obstáculo para su uso como almacenamiento de pilas de combustible. Por lo tanto, los hidruros de alta temperatura no se utilizan actualmente para el uso en pilas de combustible y motores de combustión interna de H2.
Los hidruros de baja temperatura con una temperatura de desorción a una presión normal de 10 kPa entre -40 °C y por debajo de 100 °C se utilizan, debido a su capacidad de almacenamiento relativa de peso relativamente baja para hidrógeno de menos del 2% en peso, solo de forma muy específica para aplicaciones móviles, en particular para prototipos de carretillas elevadoras y bicicletas, en las que se puede aceptar una baja capacidad de almacenamiento. Están definidos por una entalpía de reacción absoluta A Habs para la reacción de absorción de hidrógeno de menos de 30 kJ/mol H2.
Por lo tanto, para la aplicación general de los acumuladores de hidruro metálico se necesita un sistema de calefacción externo que caliente el acumulador de hidruro metálico para su descarga. Hasta ahora, la energía requerida para calentar el acumulador de hidruro metálico se extrae por lo general de la pila de combustible o de otra fuente de calor. No obstante, no es posible extraer la energía requerida para la descarga de un acumulador de hidruro metálico en la puesta en marcha de la pila de combustible y en los primeros minutos de su funcionamiento si no proporciona todavía suficiente calor para calentar el acumulador de hidruro metálico. Además, las pilas de combustible conocidas en la práctica solo pueden producir electricidad para uso externo a partir de una temperatura de arranque determinada. En el caso de un arranque en frío o un arranque inmediato, una pila de combustible se debe calentar así en primer lugar a temperaturas por encima de la temperatura de arranque. Debido a la gran masa térmica de las pilas de combustible, para ello se requiere una potencia calorífica considerable, en particular si el arranque en frío se debe realizar en tiempos similarmente cortos a los de los motores de combustión interna convencionales.
Lo mismo es válido para el suministro de hidrógeno a una pila de combustible de reformadores que utilizan combustibles como metanol, amoniaco, ácido fórmico o LOHC («portadores de hidrógeno orgánicos líquidos»). Para arrancar la pila de combustible por medio de un reformador, tampoco no se necesita aquí todavía energía disponible en el sistema.
Por el documento DE 103 17 123 B4 se conoce una pila de combustible para un uso móvil con un dispositivo de arranque en frío, que comprende un tanque de presión de hidrógeno como acumulador de hidrógeno, así como un dispositivo de calentamiento de hidruro metálico. El hidrógeno del tanque de gas a presión se conduce a través del acumulador de hidruro metálico desorbido. Este se calienta durante la formación del hidruro metálico correspondiente y mejora por lo tanto el rendimiento del sistema de pila de combustible. Sin embargo, en el caso del dispositivo de arranque en frío conocido por el documento DE 103 17 123 B4, el número de procesos de arranque en frío y de procesos de arranque inmediato está limitado por el tamaño del acumulador de presión, ya que el acumulador de presión se descarga sucesivamente en cada arranque en frío y arranque inmediato y no se carga de nuevo automáticamente. Por lo tanto, este sistema solo ofrece una función mejorada de un acumulador basada en tanque de presión, que también puede arrancar en frío e inmediatamente sin este dispositivo.
I. Bürger et al. "Advanced reactor concept for complex hydrides: Hydrogen absorption from room temperature» International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 39 (2014), páginas 7030-7041 da a conocer una combinación de un hidruro complejo (CxH) y un hidruro a temperatura ambiente (MeH) en un tanque aprovechando la alta capacidad de carga de los hidruros complejos y la alta velocidad de reacción de los hidruros a temperatura ambiente para mejorar las propiedades de arranque en frío. El hidruro a temperatura ambiente se carga con hidrógeno en el arranque en frío y se calienta mediante la reacción exotérmica. De este modo, también calienta el hidruro complejo, que por lo tanto se lleva lentamente a la temperatura de funcionamiento, emite hidrógeno y, por lo tanto, suministra hidrógeno a la pila de combustible. Debido a esta cascada de reacción de hidruro a temperatura ambiente e hidruro complejo y al lento calentamiento del hidruro complejo, el sistema es comparativamente lento. Además, en el documento no se describe cómo se debe realizar la carga del hidruro a temperatura ambiente.
M. Kolbig et al. „Characterization of metal hydrides for thermal applications in vehicles below 0 °C", International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 44 (2019), páginas 4878-4888 considera la carga y descarga de un sistema cerrado de LaNi4.85Al0.15 como hidruro metálico generador de calor e HYDRALLOY C5® (Ti0.95Zr0.05Mn1.46V0.45Fe0.09) como hidruro metálico suministrador de hidruro por debajo de 0 °C. El documento DE 102008002624 A1 da a conocer un sistema de almacenamiento de hidrógeno para un vehículo de pila de combustible, donde el sistema de almacenamiento de hidrógeno presenta: un espacio exterior que está llenado de un primer polvo de aleación de almacenamiento por medio del cual el hidrógeno es liberable a una temperatura alta; un espacio interior que está lleno de un segundo polvo de aleación de almacenamiento, por medio del cual el hidrógeno es liberable solo con el calor generado por un bloque de pilas de combustible; un filtro metálico que está dispuesto entre el espacio exterior e interior, de modo que el espacio exterior e interior está dividido; un segundo tubo de intercambio de calor que está previsto entre el bloque de pilas de combustible y un refrigerador para formar un circuito de refrigeración y está dispuesto a lo largo de una dirección longitudinal del espacio interior; y un circuito de intercambio de calor independiente que está conectado independientemente con el espacio exterior para la liberación de hidrógeno del primer polvo de aleación de almacenamiento.
El documento EP 1468722 A2 da a conocer una combinación de un reformador con dos acumuladores de hidruro para reducir sus emisiones durante el arranque en frío de una máquina de combustión interna.
Todos los sistemas mencionados anteriormente se basan en el hecho de que la pila de combustible se alimenta por un hidruro metálico, que antes de la puesta en marcha se calienta por otra fuente. Solo después de calentar el hidruro metálico se puede hacer funcionar la pila de combustible. El objetivo de la presente invención es poner a disposición un dispositivo de arranque en frío eficiente para un consumidor de hidrógeno exotérmico, como una pila de combustible, que se pueda poner en funcionamiento inmediatamente y que no necesite un tanque de presión o una fuente de hidrógeno externa que, debido al espacio limitado disponible, sean desventajosos, por ejemplo, en automóviles de turismo. Además, el dispositivo de arranque en frío está a disposición para un número de procesos de arranque que es independiente de su capacidad de almacenamiento.
RESUMEN DE LA INVENCIÓN
Según la invención, este objetivo se consigue mediante un dispositivo para el funcionamiento de un consumidor de hidrógeno exotérmico como una pila de combustible con las características mencionadas en la reivindicación 1. Igualmente este objetivo se consigue mediante un procedimiento según la reivindicación 7.
Formas de realización preferidas de la invención están representadas en las reivindicaciones dependientes.
Una primera forma de realización de la invención se refiere a un dispositivo para el funcionamiento de un consumidor de hidrógeno exotérmico como una pila de combustible, donde el dispositivo comprende el consumidor de hidrógeno exotérmico, al menos un tanque de arranque que comprende un primer hidruro metálico con propiedades de arranque en frío, así como al menos un tanque de funcionamiento que comprende al menos un segundo hidruro metálico con una entalpía de reacción absoluta para la reacción de absorción de hidrógeno (A Habs) menor de 80 kJ/mol H2 , preferiblemente entre 20 kJ/mol H2 y menor de 65 kJ/mol de H2 , que a una temperatura de -40 °C presenta una presión de equilibrio para la desorción de hidrógeno por debajo de 100 kPa, o al menos un reformador, donde el tanque de arranque está en conexión de flujo con el consumidor de hidrógeno exotérmico y el tanque de funcionamiento o el reformador, donde el primer hidruro metálico con propiedades de arranque en frío a una temperatura de -40 °C presenta una presión de equilibrio para la desorción de hidrógeno de al menos 100 kPa, y el tanque de arranque comprende además un enfriamiento, a fin de poderse cargar con el hidrógeno al alimentar el consumidor de hidrógeno exotérmico por el tanque de funcionamiento o el reformador.
Preferiblemente, el consumidor de hidrógeno exotérmico es una pila de combustible que comprende al menos un cátodo y al menos un ánodo con un electrolito dispuesto entre ellos. El consumidor de hidrógeno exotérmico es lo más preferiblemente una pila de combustible PEM, por ejemplo una pila de combustible PEM de baja temperatura.
De forma preferida, el tanque de arranque está configurado esférico o cilíndrico. En una forma de realización de la invención, el hidruro metálico del tanque de arranque es uno basado en una aleación de titanio-cromo-manganeso. Una segunda forma de realización de la invención se refiere a un procedimiento para el funcionamiento de un consumidor de hidrógeno exotérmico como una pila de combustible, donde el consumidor de hidrógeno exotérmico se alimenta en primer lugar con hidrógeno de al menos un tanque de arranque, que comprende un primer hidruro metálico, que a una temperatura de -40 °C presenta una presión de equilibrio para la desorción de al menos 100 kPa, y después de alcanzar la temperatura de funcionamiento del consumidor de hidrógeno exotérmico se alimenta con hidrógeno de al menos un tanque de funcionamiento, que comprende al menos un segundo hidruro metálico con una entalpía de reacción absoluta para la reacción de absorción de hidrógeno (A Habs) menor de 80 kJ/mol H2 , preferiblemente entre 20 kJ/mol H2 y menor de 65 kJ/mol H2 , que a una temperatura de -40 °C presenta una presión de equilibrio para la desorción de hidrógeno por debajo de 100 kPa, o un reformador, y el hidruro metálico del tanque de arranque, con suministro simultáneo del consumidor de hidrógeno por el segundo tanque de funcionamiento o el reformador, se enfría para cargarse con hidrógeno a partir de este.
Como se mencionó, el consumidor de hidrógeno se alimenta en primer lugar con hidrógeno del tanque de arranque, donde el tanque de arranque comprende preferiblemente al menos un hidruro metálico, que a una temperatura de -40 °C presenta una presión de equilibrio para la desorción de al menos 300 kPa, aún más preferiblemente al menos 1000 kPa y en particular al menos 1300 kPa, lo que es ventajoso en particular para las pilas de combustible que se hacen funcionar en el modo de recirculación.
Con el procedimiento según la invención, un consumidor de hidrógeno exotérmico, como una pila de combustible, se suministra en condiciones de arranque en frío con suficiente hidrógeno del tanque de arranque, de modo que el consumidor de hidrógeno exotérmico se arranca y se puede calentar a la temperatura de funcionamiento. Con el calor residual o la potencia eléctrica, si está presente, del consumidor de hidrógeno exotérmico - como una pila de combustible - el tanque de funcionamiento o el reformador como acumulador de hidrógeno principal igualmente se calienta a su temperatura de funcionamiento y asume el suministro de hidrógeno al consumidor de hidrógeno. Al alimentar el consumidor de hidrógeno por el tanque de funcionamiento o el reformador, el tanque de arranque se carga de nuevo con hidrógeno procedente del tanque de funcionamiento o del reformador. Para ello, se requiere que el tanque de arranque se enfríe, por ejemplo, por medio de elementos de Peltier. A través de la refrigeración, la presión de equilibrio del primer hidruro metálico en el tanque de arranque disminuye, y esta se puede cargar de nuevo con hidrógeno del acumulador principal (tanque de funcionamiento o reformador), de modo que después de desconectar el consumidor de hidrógeno exotérmico se puede realizar un nuevo proceso de arranque. Para ello se requiere que el tanque de arranque esté conectado entre el consumidor de hidrógeno y el tanque de funcionamiento o que el tanque de arranque, el consumidor de hidrógeno y el tanque de funcionamiento estén dispuestos de modo que el hidrógeno pueda fluir desde el tanque de arranque hasta el consumidor, pero también (en forma de circuito separado) desde el tanque de funcionamiento hasta el tanque de arranque.
El procedimiento descrito para cargar el tanque de arranque durante el funcionamiento del consumidor de hidrógeno exotérmico permite, en comparación con soluciones anteriores, un número esencialmente mayor de procesos de arranque en frío, no limitados por el volumen del tanque de arranque, y es, por lo tanto, además de la construcción simplificada del dispositivo para el funcionamiento, por ejemplo, de una pila de combustible, una ventaja de la invención. Además, la solución según la invención permite el uso de una solución de almacenamiento muy económica para el acumulador de hidrógeno principal, sin que este mismo tenga que presentar propiedades de arranque en frío y/o instantáneo. De este modo, se pueden utilizar hidruros metálicos con mayor eficiencia u otros dispositivos de suministro de hidrógeno (como por ejemplo reformadores), económicos y que no se pueden iniciar en frío y/o de forma inmediata. Con el dispositivo según la invención y el procedimiento según la invención se garantiza sin demora la facilitación de hidrógeno para el funcionamiento del consumidor de hidrógeno exotérmico - especialmente a bajas temperaturas y, por ejemplo, como pila de combustible para aplicaciones automóviles - así como en un tanque de presión - pero sin su costosa construcción y con requisitos de espacio mucho más reducidos.
Según otra forma de realización de la invención, el tanque de arranque presenta una envoltura del primer hidruro metálico contenido en el mismo, que puede resistir presiones de hidrógeno hasta la presión de equilibrio máxima del hidruro a temperatura de funcionamiento del consumidor de hidrógeno exotérmico como una pila de combustible o la temperatura de funcionamiento máxima de un calentamiento externo, preferiblemente el enfriamiento de elementos de Peltier, que en circuito invertido puede actuar como calefacción. Para la envoltura del primer acumulador de hidruro metálico se prefieren aceros súper dúplex o composites reforzados con fibras. Cuanto menor sea la presión de equilibrio a la temperatura de funcionamiento del consumidor de hidrógeno exotérmico - es decir, la temperatura máxima posible en el sistema - tanto más delgada y ligera puede ser la envoltura del primer acumulador de hidruro metálico.
Según otra forma de realización de la invención, el dispositivo para el funcionamiento de un consumidor de hidrógeno exotérmico como una pila de combustible comprende un sistema de refrigeración que enfría el tanque de arranque durante su recarga tan pronto como el tanque de funcionamiento o el reformador ha asumido el suministro de la pila de combustible. Los elementos de Peltier tienen aquí la ventaja de ser extremadamente compactos y permitir el enfriamiento directo de la carcasa a través de la conducción de calor o enfriar el sistema de tanques a través de canales de refrigeración internos mediante el acoplamiento con un intercambiador de calor. Además, los sistemas basados en elementos de Peltier no requieren mantenimiento, ya que no contienen piezas móviles. Y, por último, son fácilmente reversibles (el enfriamiento también se puede utilizar como calefacción invirtiendo los polos eléctricos). Alternativamente también se puede usar un enfriamiento convencional, basado en compresor, preferentemente uno que también sea reversible (que funcione como calefacción).
Preferiblemente, el hidruro metálico del tanque de arranque se selecciona de modo que el hidrógeno se desorbe en condiciones de arranque por heladas como -40 °C o a temperaturas similarmente bajas. Si se eligiese un hidruro metálico con una temperatura de desorción más alta, entonces en caso necesario, por ejemplo, a temperaturas extremadamente bajas, se puede prever una transferencia de calor desde el entorno, por ejemplo, a través de elementos de Peltier que funcionan como calefacción, a través de una calefacción separada convencional o a través del medio refrigerante del consumidor de hidrógeno exotérmico, para posibilitar sin embargo la desorción de hidrógeno.
Es ventajoso que la transferencia de calor se retrase mediante una baja presión de suministro del consumidor de hidrógeno exotérmico o una alta presión de carga y de funcionamiento durante el funcionamiento, de modo que solo se necesita calor adicional cuando el sistema ya puede suministrar este calor de todos modos.
Si después del funcionamiento permitido por el tanque de arranque el consumidor de hidrógeno exotérmico ha alcanzado una temperatura de funcionamiento normal (en el caso de pilas de combustible PEM de baja temperatura de aproximadamente 60 °C a 80 °C), el tanque de funcionamiento o el reformador, así como eventualmente otros consumidores presentes en el vehículo, como una calefacción interior del vehículo, se pueden alimentar con energía térmica del calor residual de la pila de combustible. Otra parte de la potencia - para potencia normalmente eléctrica -del consumidor de hidrógeno exotérmico (por ejemplo, menos del 5%) se utiliza para enfriar el tanque de arranque a través de su propio sistema de refrigeración después de alcanzar este estado de funcionamiento.
El tanque de funcionamiento o reformador está construido preferiblemente de modo que a su propia temperatura de funcionamiento, que no es necesariamente la misma que la del consumidor de hidrógeno exotérmico, genera una presión de hidrógeno más alta que la presión de equilibrio del tanque de arranque en frío. Por lo tanto, el tanque de arranque se puede cargar de nuevo desde el tanque de funcionamiento.
El calor originado durante la recarga del tanque de arranque en este se evacua preferiblemente para mantener constante su presión de equilibrio y posibilitar una recarga del tanque de arranque. Una vez que el tanque de arranque está completamente cargado, el enfriamiento se puede apagar.

Claims (14)

  1. REIVINDICACIONES
    I. Dispositivo para el funcionamiento de un consumidor de hidrógeno exotérmico como una pila de combustible, donde el dispositivo comprende el consumidor de hidrógeno exotérmico, al menos un tanque de arranque que comprende un primer hidruro metálico con propiedades de arranque en frío, así como al menos un tanque de funcionamiento que comprende al menos un segundo hidruro metálico con una entalpía de reacción absoluta para la reacción de absorción de hidrógeno (A Habs) menor de 80 kJ/mol H2 , que a una temperatura de -40 °C presenta una presión de equilibrio para la desorción de hidrógeno por debajo de 100 kPa, o al menos un reformador, donde el tanque de arranque está en conexión de flujo con el consumidor de hidrógeno exotérmico y el tanque de funcionamiento o el reformador, donde el primer hidruro metálico con propiedades de arranque en frío a una temperatura de -40 °C presenta una presión de equilibrio para la desorción de hidrógeno de al menos 100 kPa, y el tanque de arranque comprende además un enfriamiento, a fin de poderse cargar, al alimentar el consumidor de hidrógeno exotérmico por el tanque de funcionamiento o el reformador, a partir de este con el hidrógeno.
  2. 2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque el consumidor de hidrógeno exotérmico es una pila de combustible que comprende al menos un cátodo y al menos un ánodo con un electrolito dispuesto entre ellos.
  3. 3. Dispositivo según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, caracterizado porque el tanque de arranque comprende un hidruro metálico que a una temperatura de -40 °C presenta una presión de equilibrio para la desorción de al menos 300 kPa.
  4. 4. Dispositivo según la reivindicación 3, caracterizado porque el tanque de arranque comprende un hidruro metálico que presenta a una temperatura de -40 °C una presión de equilibrio para la desorción de al menos 1300 kPa.
  5. 5. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el hidruro metálico del tanque de arranque es uno basado en una aleación de titanio-cromo-manganeso.
  6. 6. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde el enfriamiento del primer acumulador de hidruro metálico se realiza mediante un elemento de Peltier o mediante un enfriamiento basado en compresor.
  7. 7. Procedimiento para el funcionamiento de un consumidor de hidrógeno exotérmico como una pila de combustible, donde el consumidor de hidrógeno exotérmico se alimenta en primer lugar con hidrógeno de al menos un tanque de arranque, que comprende un primer hidruro metálico, que a una temperatura de -40 °C presenta una presión de equilibrio para la desorción de al menos 100 kPa, y después de alcanzar la temperatura de funcionamiento del consumidor de hidrógeno exotérmico se alimenta con hidrógeno de al menos un tanque de funcionamiento, que comprende al menos un segundo hidruro metálico con una entalpía de reacción absoluta para la reacción de absorción de hidrógeno (A Habs) menor de 80 kJ/mol H2 , que a una temperatura de -40 °C presenta una presión de equilibrio para la desorción de hidrógeno por debajo de 100 kPa, o un reformador, y el hidruro metálico del tanque de arranque - con suministro simultáneo del consumidor de hidrógeno por el segundo tanque de funcionamiento o el reformador - se enfría para cargarse con hidrógeno a partir de este.
  8. 8. Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado porque el consumidor de hidrógeno exotérmico es una célula de combustible que comprende al menos un cátodo y al menos un ánodo con un electrolito dispuesto entre ellos.
  9. 9. Procedimiento según la reivindicación 7 u 8, donde el tanque de arranque comprende un hidruro metálico, que a una temperatura de -40 °C presenta una presión de equilibrio para la desorción de hidrógeno de al menos 300 kPa.
  10. 10. Procedimiento según la reivindicación 9, donde el tanque de arranque comprende un hidruro metálico, que a una temperatura de -40 °C presenta una presión de equilibrio para la desorción de hidrógeno de al menos 1000 kPa.
  11. I I . Procedimiento según la reivindicación 10, donde el tanque de arranque comprende un hidruro metálico que a una temperatura de -40 °C presenta una presión de equilibrio para la desorción de hidrógeno de al menos 1300 kPa.
  12. 12. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11, donde el hidruro metálico del tanque de arranque es uno basado en una aleación de titanio-cromo-manganeso.
  13. 13. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 12, donde el enfriamiento del primer acumulador de hidruro metálico se realiza mediante un elemento de Peltier o mediante un enfriamiento basado en compresor.
  14. 14. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 13, donde, al suministrar el consumidor de hidrógeno por el tanque de funcionamiento o el reformador, el calor residual del consumidor de hidrógeno se utiliza para calentar el tanque de funcionamiento o el reformador.
ES19219241T 2019-12-23 2019-12-23 Dispositivo para el funcionamiento de un consumidor de hidrógeno exotérmico con acumulador de hidruro metálico Active ES2929204T3 (es)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP19219241.7A EP3843189B1 (de) 2019-12-23 2019-12-23 Vorrichtung zum betrieb eines exothermen wasserstoffabnehmers mit metallhydridspeicher

Publications (1)

Publication Number Publication Date
ES2929204T3 true ES2929204T3 (es) 2022-11-25

Family

ID=69061121

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ES19219241T Active ES2929204T3 (es) 2019-12-23 2019-12-23 Dispositivo para el funcionamiento de un consumidor de hidrógeno exotérmico con acumulador de hidruro metálico

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11616245B2 (es)
EP (1) EP3843189B1 (es)
JP (1) JP2021103682A (es)
ES (1) ES2929204T3 (es)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113675442B (zh) * 2021-07-27 2023-03-31 华南理工大学 一种应用于燃料电池的辅助低温冷启动系统及其控制方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19836352A1 (de) 1998-08-11 2000-02-17 Siemens Ag Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit Nickelnetz und Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapel mit einer solchen Zelle
DE10317123B4 (de) 2003-04-14 2007-09-20 Daimlerchrysler Ag Vorrichtung und Verfahren zum Brennstoffzellenkaltstart mit Metallhydriden und deren Verwendung
US20040200209A1 (en) * 2003-04-14 2004-10-14 Kirwan John E. Emissions reduction system and method
KR101875633B1 (ko) * 2016-01-26 2018-08-02 현대자동차 주식회사 고체 수소저장 장치, 및 고체 수소저장 시스템
KR102274017B1 (ko) * 2017-02-15 2021-07-06 현대자동차 주식회사 연료전지 자동차용 열관리 시스템

Also Published As

Publication number Publication date
EP3843189A1 (de) 2021-06-30
EP3843189B1 (de) 2022-09-21
US11616245B2 (en) 2023-03-28
US20210194026A1 (en) 2021-06-24
JP2021103682A (ja) 2021-07-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
ES2846573T3 (es) Dispositivo y procedimiento para generar corriente eléctrica mediante hidrógeno y un medio de almacenamiento de hidrógeno
US7405013B2 (en) Thermoelectric conversion of heat released during use of a power-plant or hydrogen storage material
US6918430B2 (en) Onboard hydrogen storage unit with heat transfer system for use in a hydrogen powered vehicle
US8721868B2 (en) Integrated solar-powered high-pressure hydrogen production and battery charging system
JP5709014B2 (ja) 電気エネルギーを貯蔵する充電可能なバッテリの温度調節方法およびその装置
US7727492B2 (en) Apparatus for refueling on-board metal hydride hydrogen storage tank
ES2929204T3 (es) Dispositivo para el funcionamiento de un consumidor de hidrógeno exotérmico con acumulador de hidruro metálico
KR102169149B1 (ko) 연료전지용 저압 메탈하이브리드 수소 충방전 시스템
US11358493B2 (en) Fuel cell vehicle thermal management system and method for managing fuel cell thermal loads
ES2942836T3 (es) Sistema de tanque de hidrógeno de hidruro metálico con capacidad de arranque en caso de helada
KR20220061595A (ko) 연료전지 폐열을 활용한 수소공급시스템 및 제어방법
ES2882477T3 (es) Sistema y procedimiento para la gestión térmica de sistemas de alta temperatura
T-Raissi et al. Metal hydride storage requirements for transportation applications
ES2803899T3 (es) Dispositivo electroquímico recargable para la producción de energía eléctrica
JP2014150055A (ja) 複合電池システム及び電気推進車両
US20230272981A1 (en) Thermochemical energy storage device
CN219350360U (zh) 一种用于动力电池的冷却装置、动力电池以及车辆
US11876269B2 (en) Passive flow battery
US20220200084A1 (en) Hybrid energy storage system with chemical/electrochemical dual technology for mobile, propulsive and stationary applications
EP4075552A1 (en) Hydrogen power generation system
JP2004206950A (ja) 燃料電池システム
JP2014150054A (ja) 複合電池システム及び電気推進車両